[发明专利]通过粉末冶金法制备基于钛合金的并且TiB强化的复合部件的方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及陶瓷强化的金属合金，尤其是硼化钛强化的钛合金及 其制备方法。

背景技术

在由大范围材料制备元件中，粉末冶金法(PM)是一种很流行的方法， 这些材料中的许多采用更一般的例如铸造法、成形法或机械加工之类常规方法 是很困难的或不可能的。粉末冶金法特别适合于由难熔材料和在其它工艺中无 法形成真正的合金的材料制备元件，并且由于其可重复性以及无废料的特点， 非常适合于大规模的生产制造(例如汽车元件的制造)。

在典型的粉末冶金工艺中，将金属粉末与合金化材料、润滑剂、粘结 剂或类似物进行混合，然后采用适当的工艺装置压制成近净形状(near-net shape)，随后在受控气氛中进行烧结使压制的粉末以冶金方式粘合在一起。通常， 可能进行一种或多种的次要操作，包括打毛刺以及相关的表面处理、再压、浸 渍和减少孔隙。

钛具有优异的耐腐蚀性、相对高的耐热性以及高比强度，因此经常用 于重量敏感的工程应用中。运输业，尤其和航空应用相关的，尤其得益于钛以 及钛合金的使用，从而创建了结构上高效的平台。然而，至今为止它有限的刚 度使充分开发钛的必须呈现的相对于其耐熔性更高的相似物的优势变得很困 难。例如，钛基合金的弹性模量大概是钢基材料和镍基材料的一半。采用附加 量的材料以弥补这些较低刚度值降低了钛相对镍基和铁基替换物的效率优势。

提高钛基合金的刚度的一种方法就是将它们和具有相对高模量的陶瓷 材料进行结合。这种将大块金属(a bulk metal)与连续或不连续的强化体的结 合是相对较新的一类材料的一部分，这种材料被称做为金属基质复合材料 (MMC)，其中结构性质可以通过适当选择成分材料来针对具体工程应用进行定 制。通常MMC的，尤其是钛基MMC的，不连续构造的变体可以承受粉末冶 金法，这是因为化合物形成性陶瓷材料(compound-forming ceramic material)在 烧结的过程中可以与钛基础发生反应得到强化体从而提高整个复合材料的性 能。具体而言，除了提高钛的刚度，强化材料(典型地呈颗粒状形态)还带来 其他结构上的好处，包括对于有关磨损而言硬度更高，以及多种相以提高断裂 韧性。

在用于制备钛基MMC的PM工艺中，钛前体可以与另一种材料组合， 所述另一种材料在适当的温度和压力条件下形成硬化的、刚性的陶瓷强化材料， 简单列举一些如硼化钛(TiB)、碳化钛(TiC)、或者氮化钛(TiN)。其中，TiB 被证明特别适合作为钛MMC的强化相，因为TiB表现出高的强度、硬度、耐 热性和弹性模量，在整个钛合金PM处理条件中热力学稳定，不溶于钛合金中， 与钛合金具有相似的热膨胀系数，并在其与钛基质之间形成稳定的晶界。不过， TiB本身并不稳定，因此必须原位获得，例如通过二硼化钛(TiB₂)与Ti粉末 在烧结过程进行反应获得。

通过粉末冶金生产钛基MMC面临很多挑战。对于高质量的钛基 MMC(或者提高了断裂韧性和抗疲劳性)而言最重要的因数就是对诸如碳、氢、 氧、或氮之类元素的控制。并且避免形成镁化合物和钠化合物也是很重要的。 在这些元素中，氧是最重要的需要限制的元素。例如，残余的氧可能以氧化物 膜的形式在钛前体的表面上形成。通过限制了更合意地强化相例如上面提到的 二硼化物的生成，这种氧的存在会降低最终产品的密度和机械性能。将粉末进 行适当的混合对获得均一的微观结构以及阻止强化成分成链也很关键。

对具有优异的韧性、耐腐蚀性、高刚度、耐磨性以及耐热性的高强 度钛基材料存在着需求。进一步还存在着以成本有效的方式生产这些材料以满 足高产量元件制备方法的需求。

发明内容