專利名稱：一種增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料及其粉末冶金制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料及其制備方法，特別是一種增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料及其粉末冶金制備方法。
背景技術(shù)：
顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料是以高強(qiáng)度和高模量陶瓷顆?；蚓ы殲樵鰪?qiáng)相，以鈦或鈦合金為基體而制備的一種材料，具有比鈦合金更高的比強(qiáng)度和比模量，極佳的疲勞和蠕變性能，以及優(yōu)異的耐高溫性能和耐蝕性能，并克服了鈦合金耐磨性及耐燃性差的缺點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。與外加法比較，原位合成增強(qiáng)相具有工藝簡(jiǎn)單、增強(qiáng)相與基體潤(rùn)濕性好、界面無污染、材料性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上更為可行，成為高性能鈦基復(fù)合材料的重要發(fā)展方向。就增強(qiáng)相的種類而言，TiB是鈦基復(fù)合材料中最 佳的增強(qiáng)體之一。同時(shí)為了降低鈦元素的高活性引起的氧污染，還需要借助稀土元素脫氧增韌以改善鈦基復(fù)合材料的韌性。目前，制備顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的方法主要有熔鑄法和粉末冶金法兩大類。熔鑄法易產(chǎn)生缺陷，成分易于偏析和組織不均勻、生產(chǎn)效率低，并且增強(qiáng)相的含量受到限制。與熔鑄法相比，粉末冶金具有能耗低、材料利用率高、微觀組織細(xì)小、成分均勻可控、易實(shí)現(xiàn)近凈成形等優(yōu)點(diǎn)，是制造高性能、低成本鈦基復(fù)合材料的理想技術(shù)。然而由于鈦加工硬化速率高的特性，使用傳統(tǒng)粉末冶金模壓方法成形鈦粉十分困難，所制備的壓坯致密度通常低于85%，經(jīng)常需要借助熱壓、熱等靜壓或放電等離子燒結(jié)以及二次加工等昂貴的方法獲得致密材料。D. R. Ni 等(Fabrication and tensile properties of in situ TiBw andTiCphybri de-re inforced titanium matrix composites based on Ti-B4C-C,〈〈MaterialsScience and Engineering A)), 2008,478 :291-296.)通過混合 Ti 粉、B4C 和石墨粉-冷壓成形-真空熱壓-擠壓工藝路線制備TiB和TiC增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。日本 Cermet Ti 公司(CermeTi discontinuously reinforced Ti-matrixcomposites, ((Manufacturing, properties, and applications [J]〉〉，J0M，2004，56 (5)37-41.)通過混合TiB2粉、Ti粉及合金粉-冷等靜壓成形-真空燒結(jié)-熱等靜壓或擠壓或鍛造的方法制備鈦基復(fù)合材料。這些方法存在流程復(fù)雜、成本高等問題，限制了鈦基復(fù)合材料在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用。尋求高性能鈦基復(fù)合材料的短流程、低成本制備技術(shù)成為鈦基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)。高速壓制技術(shù)是2001年出現(xiàn)的一種高效率、低成本制備高性能粉末冶金零件的新技術(shù)，兼具動(dòng)態(tài)壓制的高沖擊能量和傳統(tǒng)壓制的高效平穩(wěn)等共同特征，可實(shí)現(xiàn)冷態(tài)下(室溫)粉末的高密度成形和連續(xù)化生產(chǎn)，具有成本低、壓坯密度高且分布均勻、低彈性后效和高精度等特點(diǎn)。目前該技術(shù)成形Fe粉、Cu粉等延性粉末的效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)成形方法，尤其在成形傳統(tǒng)粉末冶金模壓難成形的粉末(如鈦粉)時(shí)體現(xiàn)出獨(dú)特的成形優(yōu)勢(shì)，成形純鈦粉末的壓坯致密度可達(dá)95 %以上。然而目前國(guó)際上尚沒有高速壓制技術(shù)成形鈦基混合粉末制備TiB和稀土氧化物增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種燒結(jié)致密度高、硬度和彎曲強(qiáng)度高的增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。本發(fā)明另一個(gè)目的是上述增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的粉末冶金制備方法。本發(fā)明所述的增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料由以下成分和質(zhì)量百分組成粒徑為5 IOym的TiB2 1.0 11.0%，粒徑為10 25 iim的稀土六硼化物0. 8 1.0%，鈦粉75.0 85. 0%, Al 粉 3. 5 4. 5%, Mo 粉 5. 0 I. 0%和 Fe 粉 I. 0 I. 5%。優(yōu)選的成分和質(zhì)量百分組成TiB2 4.9%，稀土六硼化物0.9%，鈦粉82.8%，Al 粉 4.0%，Mo 粉 6. 1%和 Fe 粉 1.3%。 所述稀土六硼化物為L(zhǎng)aB6或NdB6。所述增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的粉末冶金制備方法步驟如下將按照質(zhì)量百分稱量的TiB2、稀土六硼化物、Ti粉、Al粉、Mo粉和Fe粉混合均勻；在沖擊速度為4. 50 6. 28m/s，沖擊能量與裝粉量之比為1370 2602J 10 19g的條件下，壓制生坯；在溫度為1150 1350°C真空燒結(jié)生坯，時(shí)間為3h，隨爐冷卻后得到所述增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。本發(fā)明組分中的TiB2在燒結(jié)過程中和Ti發(fā)生反應(yīng)生成TiB，稀土六硼化物燒結(jié)時(shí)和氧反應(yīng)生成稀土氧化物，原位反應(yīng)得到TiB和稀土氧化物增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。將粉末冶金方法與原位合成技術(shù)相結(jié)合起來，利用鈦粉與TiB2和稀土硼化物之間的反應(yīng)，制備的增強(qiáng)體分布均勻、與基體界面結(jié)合良好、綜合性能優(yōu)異的復(fù)合材料。此外，本發(fā)明通過添加稀土六硼化物，除作為部分硼源外，稀土元素可有效奪取粉末中夾雜的氧。借助稀土元素的脫氧增韌和稀土氧化物的彌散強(qiáng)化作用，在一定程度上可有效改善鈦基復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過采用高速壓制混合粉末制備高致密壓坯，從而使通過燒結(jié)即可獲得致密的鈦基復(fù)合材料。而無需像傳統(tǒng)的粉末冶金法制備鈦基復(fù)合材料時(shí)通常需要借助熱等靜壓工藝提高燒結(jié)試樣的致密度。本發(fā)明方法制備鈦基復(fù)合材料工藝過程簡(jiǎn)單，成本低，可減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)，降低能耗，從而降低生產(chǎn)成本，滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的要求。所制備的鈦基復(fù)合材料致密度高，硬度和彎曲強(qiáng)度高。該方法適合于大批量生產(chǎn)，能滿足對(duì)低成本、高性能鈦基復(fù)合材料的迫切需求。


圖I為實(shí)施例I在1250°C制備的增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的金相照片；圖2為實(shí)施例2在1250°C制備的增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的金相照片；圖3為實(shí)施例3在1250°C制備的增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的金相照片。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以下發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體操作過程。實(shí)施例I
按照質(zhì)量配比稱取5 10 ii m的TiB22. 0 %，10 25 y m的LaB6O. 9 %，Ti粉85. 0%，Al粉4. 3% ,Mo粉6. 4%和Fe粉I. 4%。將粉末置于球磨機(jī)中，用Ar氣氛保護(hù)，球磨6h將粉末混合均勻。采用沖擊速度為4. 50m/s，沖擊能量與裝粉量之比為1370J IOg高速壓制混合粉末，制備生坯，將生坯放入真空燒結(jié)爐中于1150 1350°C，燒結(jié)3h，最后隨爐冷卻。所得的增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為5.5%的(TiB+La203)/Ti-4. 5A1-6. 8Mo-l. 5Fe (TiB La2O3 = 10 I)，性能見表 I。表I
權(quán)利要求
1.一種增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，其特征是由以下成分和質(zhì)量百分組成粒徑為5 IOym的TiB2LO 11.0%，粒徑為10 25 iim的稀土六硼化物0. 8 1.0%，鈦粉75.0 85. 0%, Al 粉 3. 5 4. 5%, Mo 粉 5. 0 I. 0%和 Fe 粉 I. 0 I. 5%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，其特征是成分和質(zhì)量百分組成=TiB24.9%,稀土六硼化物 0. 9%，鈦粉 82. 8%，Al 粉 4. 0%，Mo 粉 6. I %和 Fe 粉 I. 3%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，其特征是所述稀土六硼化物為L(zhǎng)aB6或NdB60
4.權(quán)利要求I所述的增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的粉末冶金制備方法步驟如下將按照質(zhì)量百分稱量的TiB2、稀土六硼化物、Ti粉、Al粉、Mo粉和Fe粉混合均勻；在沖擊速度為4. 50 6.28m/s，沖擊能量與裝粉量之比為1370 2602J 10 19g的條件下，壓制生坯；在溫度為1150 1350°C真空燒結(jié)生坯，時(shí)間為3h，隨爐冷卻后得到所述增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。
全文摘要
一種增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，其特征是由以下成分和質(zhì)量百分組成粒徑為5～10μm的TiB21.0～11.0％，粒徑為10～25μm的稀土六硼化物0.8～1.0％，鈦粉75.0～85.0％，Al粉3.5～4.5％，Mo粉5.0～7.0％和Fe粉1.0～1.5％。本發(fā)明所述的增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的粉末冶金制備方法步驟如下將TiB2、稀土六硼化物、Ti粉、Al粉、Mo粉和Fe粉混合均勻；在沖擊速度為4.50～6.28m/s，沖擊能量與裝粉量之比為1370～2602J∶10～19g的條件下，壓制生坯；真空燒結(jié)生坯，得到所述增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。本發(fā)明的增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料是一種燒結(jié)致密度高、硬度和彎曲強(qiáng)度高的材料。本發(fā)明方法制備鈦基復(fù)合材料工藝過程簡(jiǎn)單，成本低，可減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)，降低能耗，適合于大批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C22C14/00GK102747249SQ201210259460
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月25日
發(fā)明者蔡一湘, 鄭玉凱, 閆志巧, 陳 峰 申請(qǐng)人:廣州有色金屬研究院