[发明专利]一种TiC颗粒增强Ti-Mo-Hf复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种颗粒增强钛基复合材料及其制备方法，特别涉及一种TiC颗粒增强Ti-Mo-Hf复合材料及制备方法，属钛基复合材料制备技术领域。

背景技术

钛合金由于其高的强度、韧性以及良好的工艺成型性而被广泛用于人工骨、人工关节、人工脊椎等医用材料,在临床上有广泛的需求。美国专利5954724《Titanium Molybdenum Hafnium Alloys For Medical Implants And Devices》开发了Ti-7Mo-7Hf生物医用钛合金用于人工骨、人工关节、人工脊椎等植入体，但是实验表明Ti-7Mo-7Hf虽然具有与人工骨相近的弹性模量，生物相容性好，但是其耐磨性能较差，植入体需要进行多次更换，给临床使用带来很大的困难。TiC颗粒的硬度、熔点、比强度和比刚度高以及化学稳定性好，特别是TiC颗粒与钛基体匹配性能好以及在基体中很难形成反应层，因此可作为颗粒增强相添加到钛合金中制备钛基复合材料来提高基体的耐磨性能以及高温力学性能。但是目前尚无研究开发TiC颗粒增强Ti-7Mo-7Hf基体复合材料的公开报道。

由于Hf的熔点为2233℃，Mo的熔点2610℃，Ti的熔点为1678℃基体合金熔点相差较大，采用熔铸方法制备Ti-7Mo-7Hf合金就需要进行多次中间合金的熔炼才使得成分均匀，在熔铸过程中，采用外加法向Ti-7Mo-7Hf合金中添加TiC颗粒或者采用原位法添加碳元素，材料的制备难度非常大，并且工艺控制难度大，生产成本高。

如果采用传统的粉末冶金方法制备钛基复合材料，可能的工艺路径有：

Ti粉，Mo粉，Hf粉等元素粉以及TiC颗粒充分混合后压制烧结，但是Mo和Hf的熔点高，烧结难度很大；如果采用Ti-Mo-Hf预合金粉和TiC颗粒充分混合后压制烧结，则一方面，Ti-Mo-Hf预合金粉的制备成本高，另一方面，由于TiC颗粒属于采用外加法进行添加，TiC颗粒表面容易被污染，从而造成界面性能变差影响复合材料的综合性能。

中国专利200910311943《一种颗粒增强钛基复合材料及制备方法》，其目的在于提升钛合金的力学性能，采用其制备方法，可以得到TiC颗粒增强钛基复合材料，但由于其制备工艺的局限，导致其得到的TiC颗粒尺寸较大，对颗粒增强钛基复合材料的耐磨性能存在不利因素。因此，直接采用中国专利200910311943公开的方法制备生物医用TiC颗粒增强Ti-7Mo-7Hf复合材料，并不能克服Ti-7Mo-7Hf耐磨性能较差的缺陷。

上述分析表明，现有工艺方法对于制备TiC颗粒增强Ti-7Mo-7Hf基体复合材料均存在不利因素。有必要开发相关工艺制备TiC颗粒增强Ti-7Mo-7Hf基体复合材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种较Ti-7Mo-7Hf钛合金耐磨性能明显提升，弹性模量相近的TiC颗粒增强Ti-Mo-Hf复合材料。

本发明的另一个目的在于提供一种工艺流程短，设备投入少，成本低的TiC颗粒增强Ti-Mo-Hf复合材料的制备方法。

本发明一种TiC颗粒增强Ti-Mo-Hf复合材料，所述复合材料包括基体合金和增强相，所述基体合金为Ti-Mo-Hf合金，增强相为TiC颗粒，且TiC颗粒占基体合金体积的3%-6%，优选为3.7%-4.7%，所述基体合金由下述组分按质量百分比组成：

Mo4.9-9%，优选为6-7%；

Hf4.9-9%，优选为6-7%；

余量为Ti。

本发明一种TiC颗粒增强Ti-Mo-Hf复合材料，所述TiC颗粒的粒度为3-5μm。

本发明一种TiC颗粒增强Ti-Mo-Hf复合材料的制备方法，包括下述步骤：

按设计的复合材料组分配比，分别取Mo2C粉末、HfC粉末、氢化脱氢钛粉混合均匀后，压制成型，先以90-110℃/h的速度升温到600-800℃进行真空烧结2-4小时，然后，以190-210℃/h的速度升温到1200-1400℃进行真空烧结1-2小时，随炉冷却，得到TiC颗粒增强Ti-Mo-Hf复合材料。

本发明一种TiC颗粒增强Ti-Mo-Hf复合材料的制备方法，所述Mo2C粉末与HfC粉末的粒度均为8-10微米，氢化脱氢钛粉的粒度为-100目。

本发明一种TiC颗粒增强Ti-Mo-Hf复合材料的制备方法，将按比例配制的粉末采用V型混料机或球磨机混合均匀。