[发明专利]一种基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于有色金属加工技术领域，公开了一种基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料及其制备方法，具体为利用环己烯为碳源原位生成超细晶TiC，结合烧结氢化钛粉末制备钛基复合材料的方法。本发明制备的TiC增强Ti‑6Al‑4V复合材料合金无压烧结致密度高达99.2％，抗拉强度为1068MPa，断后伸长率为8％，实现烧结氢化钛制备的钛基复合材料拉伸塑性从无到有的突破，调控后的复合材料磨损体积相比Ti6Al4V和耐磨钢分别降低23％和19％，可应用于航空航天、装甲车、兵器、船舶、汽车等领域中的高强或耐磨结构件的低成本制备中；本发明方法适用于所有成分钛合金的复合材料的制备，具有广泛的适用性。

技术领域

本发明属于有色金属加工技术领域，特别涉及一种基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料及其制备方法，具体为利用环己烯为碳源原位生成超细晶TiC，结合烧结氢化钛粉末制备钛基复合材料的方法。

背景技术

钛是极具应用潜力的有色金属材料。钛及钛合金具有高比强度、低密度、优异的生物相容性和耐腐蚀性能，被广泛应用于航空航天、军工、能源、化工、船舶等领域。克服强塑性矛盾和降低制造成本是钛和钛合金的重要发展方向。

钛基复合材料是在钛基体中加入增强相制备而成，其相比钛基体具有较高的强度、较高的服役温度和较优异的耐腐蚀和耐摩擦性能。通常，引入增强相的方式为外加法或内生法。相比于外加法存在的界面反应严重、分散不均匀、残余孔隙率高等问题，内生法添加的增强相与基体界面反应少、界面结合力强且尺寸可控。常用的钛基复合材料增强相为TiC和TiB陶瓷相。目前，铸造法制备钛基复合材料需高于钛熔点的熔炼温度，消耗大量能源，且材料利用率不高；而粉末冶金成形钛基复合材料使用纯钛粉为原料，且大多使用高能源消耗型的烧结方式(如热等静压等)，制造成本相对昂贵。

以氢化钛粉末部分或完全替代纯钛粉烧结成形钛材料，是降低粉末冶金钛材成本的重要方法，最大可降低成本30％左右。氢化钛是氢化脱氢法制备钛粉的中间产物，其成本较纯钛粉低。并且，氢化钛脱氢后具有较高的烧结致密化速率，使得制备的块体合金致密度高、力学性能优异。然而，氢化钛的本征脆性使其在机械合金化过程中极易破碎为纳米粉末而引入大量杂质。因此，氢化钛与碳源在机械合金化后烧结的块体合金力学性能差。另外，混合外加增强相颗粒或碳源粉末存在混合不均匀、团聚等问题，且外加陶瓷相与钛基体界面反应严重导致增强效果差，大幅恶化复合材料力学性能。参考文献1(O.M.Ivasishin等，Journal of Materials Processing Tech.269(2019)172-181)利用氢化钛为原料通过外加法制备TiC、TiB增强Ti-6Al-4V复合材料，其拉伸塑性小于1％；参考文献2(N.Peillon等，Journal of Alloys and Compounds 619(2015)157-164)混粉外加TiC颗粒至氢化钛中制备钛基复合材料，其并未报道拉伸力学性能；参考文献3(Jing Zeng等，Metals(2018)8303)利用部分氢化钛代替钛粉结合球磨法制备TiB增强钛基复合材料，亦未报道拉伸力学性能。根据文献可知，现有技术存在以下问题：

(1)熔铸法制备钛基复合材料是以纯钛为原料且熔炼温度较高(＞1668℃)，消耗大量能源；并且，熔铸钛制品的材料利用率相对低。

(2)粉末冶金法制备钛基复合材料大多是以纯钛粉末为原料，并结合球磨、元素混粉等方法引入增强相，但存在以下不足：一是钛粉在球磨过程中极易引入杂质(如氧等)从而降低合金塑性；二是元素混粉引入的增强相存在团聚和尺寸过大问题导致强化效果差；三是需要压力辅助烧结或无压烧结结合热机械处理制备致密合金，其工艺成本相对高。

(3)现有烧结氢化钛粉末制备的钛基复合材料存在组织不均匀、致密度低、力学性能差的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料的制备方法。