專利名稱：鈦基復(fù)合材料自反應(yīng)－粉末冶金制備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種自反應(yīng)-粉末冶金制備的方法，特別是一種鈦基復(fù)合材料自反應(yīng)-粉末冶金制備的方法，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鈦及其合金具有熔點高、無磁性、熱膨脹系數(shù)低、比強度和比剛度高，而且耐腐蝕性能好、耐生物侵蝕等許多優(yōu)異特性，因而廣泛應(yīng)用在航空、航天、交通、化工、石油、造船、紡織、造紙、能源、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。但隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的鈦合金材料己達到其性能的極限，無法滿足日益苛刻的綜合性能的要求，從而出現(xiàn)了從固溶強化鈦合金向有序金屬間化合物及鈦基復(fù)合材料轉(zhuǎn)移的趨勢。為爭奪鈦材料的技術(shù)和市場優(yōu)勢，世界各國紛紛進行了鈦合金復(fù)合材料的開發(fā)研究。與價格昂貴、工藝復(fù)雜、材料各向異性的連續(xù)纖維增強鈦基復(fù)合材料比較，具有各向同性、易于加工的顆粒增強鈦基復(fù)合材料則因其機械性能的提高幅度大，成本相對降低，技術(shù)經(jīng)濟效益明顯，從而引起人們廣泛的關(guān)注。世界各國的科研工作者已開發(fā)設(shè)計了各種不同的加工工藝制備顆粒增強鈦基復(fù)合材料。雖然與基體鈦合金比較，復(fù)合材料性能獲得了顯著提高，然而也顯著提高了復(fù)合材料的成本，因而也限制了鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用。例如在汽車行業(yè)使用鈦基復(fù)合材料以后，可極大地減輕汽車重量、降低其燃料消耗、提高汽車工作效率、改善環(huán)境和降低噪音等，但是目前制備的鈦基復(fù)合材料成本太高，只是在賽車、高級轎車中獲得應(yīng)用。因此，鈦基復(fù)合材料要想進入汽車市場，除了發(fā)揮自身的性能優(yōu)勢外，還必須進一步降低成本至汽車業(yè)可以接受的水平。美、日、俄等國都在積極尋找降低成本的方法和工藝，主要在以下兩個方面開展了工作，一是開發(fā)低成本的合金體系，二是改進生產(chǎn)工藝。因粉末冶金工藝具有近凈成形的特點，可以簡捷、低成本制備所需零件，從而獲得人們親睞。經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，StanleyAbkowitz等人在《Industrial Heating》(工業(yè)熱處理)，1993,60(9)32-37，撰文“Particulate reinforced titanium alloy composites economically formed bycombined cold and hot isostatic pressing(利用冷熱等靜壓法簡捷生產(chǎn)顆粒增強鈦合金復(fù)合材料)”，該文介紹了美國Dynamet技術(shù)公司以粉末冶金技術(shù)開發(fā)的CermeTi系列鈦基復(fù)合材料已在汽車工業(yè)等領(lǐng)域獲得商業(yè)應(yīng)用，是世界上最早獲得工業(yè)化生產(chǎn)的鈦基復(fù)合材料。但該公司采用的復(fù)合方法是將TiC等增強顆粒人為地加入到鈦合金中，利用外加法制備的，不能從根本上解決增強體的均勻分布、增強體與基體完整結(jié)合等許多難題，外加增強體的污染也會降低復(fù)合材料的性能。

發(fā)明內(nèi)容
和
具體實施例方式本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提供一種鈦基復(fù)合材料自反應(yīng)-粉末冶金制備的方法，該方法將傳統(tǒng)的粉末冶金工藝與原位合成技術(shù)有機結(jié)合起來，利用鈦與碳化硼、石墨之間的化學(xué)反應(yīng)制備了不同摩爾比值TiB晶須和TiC顆?；祀s增強的鈦基復(fù)合材料，有效地解決了傳統(tǒng)復(fù)合材料的高成本問題和外加增強體污染問題，使增強體分布更為均勻，與基體結(jié)合更好，可以簡捷、低成本制備出新型鈦基復(fù)合材料及其零件，并且該方法適合大批量的工業(yè)生產(chǎn)，尤其適合大批量加工零件，從而滿足對低成本制備工藝、高性能鈦材的迫切需求。本發(fā)明方法具體如下(1)稱取適當化學(xué)計量的海綿鈦(鈦粉)、碳化硼、石墨粉和合金化元素粉末；(2)采用V型混合機、球磨機等混合方法將上述粉末混合均勻，采用一種已知的混合方法，無需采取特別的措施，就能夠獲得各種粉末粒子均勻分布的混合粉末；(3)然后采用模壓成型、冷等靜壓成型等方法將上述混合步驟中獲得的混合粉末制備出具有預(yù)定外形的生坯；(4)將制備的生坯放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，真空度控制在1×10-1Pa-1×10-3Pa之間，燒結(jié)溫度控制在1200℃-1400℃之間，燒結(jié)時間為2-18小時；(5)最后隨爐冷卻，制得原位自生鈦基復(fù)合材料。
以下對本發(fā)明方法的進一步限定粉末原料按下列兩個反應(yīng)式中的一個或兩個反應(yīng)混合
增強體的體積分數(shù)控制在30％以內(nèi)，合金化元素包括Al、Sn、Zr、Mo等所有的傳統(tǒng)鈦合金化元素的一種或幾種，合金元素的含量根據(jù)所需的性能要求調(diào)整合金化元素成分及合金化元素的配比，增強體TiB和TiC的摩爾比值可以通過添加不同的碳化硼和石墨粉末實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明方法制備的鈦基復(fù)合材料，經(jīng)熱鍛、熱軋等二次加工工藝制備成形，經(jīng)模壓成型的方法近凈成形制備所需的由鈦基復(fù)合材料組成的零件。
本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進步，在不改變傳統(tǒng)粉末冶金制備設(shè)備和工藝流程的情況下簡捷、低成本制備高性能的鈦基復(fù)合材料，并且可以通過調(diào)整不同增強體含量、增強體摩爾比值及基體合金成分制備不同性能的復(fù)合材料以滿足不同需求。與鑄錠冶金工藝比較，自反應(yīng)-粉末冶金工藝制備不同摩爾比值TiB和TiC增強鈦基復(fù)合材料具有近凈成形的特點，尤其適合批量制備零件。
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下三個實施例實施例1制取1％(TiB+TiC)/Ti復(fù)合材料(TiB∶TiC＝4∶1)。按照配比稱取海綿鈦(99.81％)和碳化硼(0.19％)粉末，將上述粉末采用V型混合機混合均勻，然后采用模壓成型的方法將上述混合步驟中獲得的混合粉末制備出圓形的生坯。將制備的生坯放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，真空度控制在1×10-1Pa，燒結(jié)溫度為1200℃，燒結(jié)時間為18小時，最后隨爐冷卻，制得原位自生鈦基復(fù)合材料。
實施例2制取15％(TiB+TiC)/Ti復(fù)合材料(TiB∶TiC＝1∶1)。按照配比稱取鈦粉(96.99％)、碳化硼(1.75％)和石墨(1.26％)粉末，將上述粉末采用球磨機混合均勻，然后采用冷等靜壓成型的方法將上述混合步驟中獲得的混合粉末制備出長方形的生坯，將制備的生坯放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，真空度控制在1×10-2Pa，燒結(jié)溫度為1300℃，燒結(jié)時間為8小時，隨爐冷卻，制得原位自生鈦基復(fù)合材料。最后利用熱軋工藝將其軋制成規(guī)定尺寸的板材。
實施例3制取28％(TiB+TiC)/Ti-8％Al復(fù)合材料(TiB∶TiC＝4∶1)。按照配比稱取海綿鈦(90.08％)、碳化硼粉末(5.17％)和鋁粉(4.75％)，將上述粉末采用V型混合機混合均勻，然后采用模壓成型的方法將上述混合步驟中獲得的混合粉末制備出圓形的生坯，將制備的生坯放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，真空度控制在1×10-3Pa，燒結(jié)溫度為1400℃，燒結(jié)時間為2小時，最后隨爐冷卻，制得原位自生鈦基復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.一種鈦基復(fù)合材料自反應(yīng)-粉末冶金制備的方法，其特征在于該方法具體如下(1)稱取適當化學(xué)計量的海綿鈦、碳化硼、石墨粉和合金化元素粉末；(2)采用V型混合機、球磨機等混合方法將上述粉末混合均勻；(3)然后采用模壓成型、冷等靜壓成型等方法將上述混合步驟中獲得的混合粉末制備出具有預(yù)定外形的生坯；(4)將制備的生坯放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，真空度控制在1×10-1Pa-1×10-3Pa之間，燒結(jié)溫度控制在1200℃-1400℃之間，燒結(jié)時間為2-18小時；(5)最后隨爐冷卻，制得原位自生鈦基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種鈦基復(fù)合材料自反應(yīng)-粉末冶金制備的方法，其特征是粉末原料按下列兩個反應(yīng)式中的一個或兩個反應(yīng)混合(x+5)，。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種鈦基復(fù)合材料自反應(yīng)-粉末冶金制備的方法，其特征是增強體的體積分數(shù)控制在30％以內(nèi)。
全文摘要
鈦基復(fù)合材料自反應(yīng)－粉末冶金制備的方法屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。該方法具體如下稱取適當化學(xué)計量的海綿鈦、碳化硼、石墨粉和合金化元素粉末；采用V型混合機、球磨機等混合方法將粉末混合均勻；采用模壓成型、冷等靜壓成型等方法將獲得的混合粉末制備出具有預(yù)定外形的生坯；將生坯放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，真空度控制在1×10
文檔編號C22C1/05GK1396290SQ02112260
公開日2003年2月12日 申請日期2002年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月27日
發(fā)明者呂維潔, 覃業(yè)霞, 楊志峰, 張荻 申請人:上海交通大學(xué)