專利名稱：原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料，屬于粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明還涉及上述合金材料的制備方法。
背景技術(shù)：
鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，其熔點(diǎn)為1670°C。鈦合金因具有比強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、耐蝕性好等特點(diǎn)成為理想的航天工程結(jié)構(gòu)材料而獲得廣泛的應(yīng)用。室溫下，鈦合金有三種基體組織，鈦合金也就分為以下三類α合金，(α+β) 合金和β合金。中國分別以TA、TC、TB表不。按用途可分為結(jié)構(gòu)鈦合金和高溫鈦合金(使用溫度大于400°C )。目前使用最廣泛的鈦合金是工業(yè)純鈦(TA1、TA2和TA3)，Τ -5Α1-2. 5Sn (TA7)和 Ti_6Al_4V(TC4)，其中 1954 年美國研制成功的 Ti_6Al_4V 合金，由于它的耐熱性、強(qiáng)度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的75% 85%。隨著航空、宇航、軍工等尖端工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展和石油與化學(xué)工業(yè)等民用工業(yè)領(lǐng)域的巨大市場潛在需求，高性能鈦合金的研發(fā)受到空前重視和發(fā)展(I)高溫鈦合金目前已成功地應(yīng)用在軍用和民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)中的50(T60(TC高溫鈦合金有英國開發(fā)的以α相固溶強(qiáng)化的頂1829、頂1834合金，美國通過犧牲疲勞強(qiáng)度來提高蠕變強(qiáng)度的方法開發(fā)Ti-4242S、Ti-1100合金，俄羅斯的BT18Y、BT36合金等，中國開發(fā)了 Ti-5. 3Al-4sn-2Zr-lMo-0. 25Si_lNd (Τ 55)和 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si-lNd (Ti66)。(2)結(jié)構(gòu)鈦合金向高強(qiáng)、高塑、高強(qiáng)高韌、高模量和高損傷容限方向發(fā)展，為適應(yīng)更高強(qiáng)度和韌性的要求(如強(qiáng)度提高至1275 1373MPa，比強(qiáng)度提高至29 33，彈性模量提高至196GPa)，近年研制了許多新型高強(qiáng)韌性能β鈦合金，如美國的Ti-10V-2Fe-3Al(Ti 1023), Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Til53), Ti-15Mo-3Al-2. 7Nb-0. 2Si ( β 21S)；英國的Ti-4Al-4Mo-2Sn-0. 5Si (IMI500)，日本的 SPR)0、CR800、SP700 和前蘇聯(lián)的 BT22 等。目前新型高溫鈦合金主要是α鈦合金和α + β鈦合金，一般在退火狀態(tài)下使用且溫度不超過60(TC，α+β鈦合金可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，但淬透性較低，強(qiáng)化熱處理后斷裂韌性也降低，因此新型高溫鈦合金的強(qiáng)度性能遠(yuǎn)低于新型高強(qiáng)韌性能β鈦合金。然而，β鈦合金熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。因此，目前采用合金化技術(shù)通過固溶強(qiáng)化和熱處理時效析出強(qiáng)化手段開發(fā)的新型鈦合金材料難以兼顧高強(qiáng)韌性能和耐熱性能。在鈦合金中加入高強(qiáng)度、高剛度的增強(qiáng)相可以進(jìn)一步提高其比彈性模量、比剛度、力學(xué)性能、疲勞和抗蠕變能力，并克服了原鈦合金耐磨性及高溫性能差等缺點(diǎn)，已成為超高音速宇航飛行器和先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的候選材料。與纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料相比，顆粒增強(qiáng)鈦合金材料制備工藝簡單，容易實(shí)現(xiàn)，所制備的材料各向同性，而且材料性能對增強(qiáng)相和基體的熱膨脹系數(shù)失配的敏感性也較低，更重要的是可以用傳統(tǒng)的鈦合金熔煉和加工工藝制備大尺寸零件，顯著降低材料的成本。在顆粒增強(qiáng)相選擇上，一方面為避免熱殘余應(yīng)力，增強(qiáng)顆粒相與基體的熱膨脹系數(shù)應(yīng)相近；另一方面增強(qiáng)顆粒相和基體的化學(xué)相容性好，以避免高溫條件下與鈦合金基體發(fā)生界面反應(yīng)，降低界面結(jié)合強(qiáng)度。目前常用的增強(qiáng)相有TiB和TiC，以及稀土氧化物等。與傳統(tǒng)增強(qiáng)顆粒相外加法制得的材料相比，原位合成顆粒增強(qiáng)鈦合金材料有以下優(yōu)點(diǎn)制備工藝簡單，容易實(shí)現(xiàn)，所制備的材料各向同性，而且材料性能對增強(qiáng)相和基體的熱膨脹系數(shù)失配的敏感性低、力學(xué)上穩(wěn)定，因此在高溫工作時，性能不易退化；增強(qiáng)相和基體的界面干凈，沒有界面反應(yīng)物；原位生成的增強(qiáng)相在基體中分布均勻，表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能。例如，上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用熔鑄法制備了 TiB及TiC原位反應(yīng)顆粒增強(qiáng)鈦鋁合金材料。鑄造和粉末冶金技術(shù)是制備鈦合金材料的主要方法，與鑄造技術(shù)相比，粉末冶金制備的鈦合金能近凈形成形，材料利用率高，并且晶粒細(xì)小，組織均勻，無偏析。據(jù)調(diào)查資 料表明，美國僅航空用采用粉末冶金方法生產(chǎn)的鈦部件占6(Γ80%，而鈦鑄件半成品僅占2(Γ25%。近幾年國外把采用快速凝固/粉末冶金技術(shù)、顆粒增強(qiáng)鈦合金作為新型鈦合金的發(fā)展方向，國內(nèi)也采用粉末冶金技術(shù)開發(fā)了原位合成顆粒增強(qiáng)鈦合金材料。中國發(fā)明專利一種粉末冶金鈦合金及其制備方法(CN 101962721 Α),提出了一種含銀與硼化鈦顆粒的粉末冶金鈦合金，通過在真空熱壓燒結(jié)鈦合金中添加六硼化鑭原位反應(yīng)生成硼化鈦顆粒。中國發(fā)明專利CN 101696474 B提出了一種含稀土氧化物強(qiáng)化相鈦合金的粉末冶金制備方法，稀土是以稀土氫化物的粉末的形式加入，稀土氧化物強(qiáng)化相在真空燒結(jié)后的變形過程中反應(yīng)生成；由于氧是鈦合金中的雜質(zhì)元素，氧的存在使鈦合金塑性急劇降低，其脆化效應(yīng)是鋁的10倍，當(dāng)氧含量大于O. 7%時，使鈦完全失去塑性變形的能力，但該專利文獻(xiàn)中并未說明稀土氧化物強(qiáng)化相生成的原理，并且氧化物生成時容易增加合金中的氧雜質(zhì)含量。鈦屬于一種活潑金屬，因而鈦合金粉末冶金零件的制備對燒結(jié)條件要求非常嚴(yán)，傳統(tǒng)的真空燒結(jié)工藝所需的真空度很高，而所燒結(jié)的鈦合金制品中殘余孔隙較多，導(dǎo)致疲勞性能嚴(yán)重下降。為獲得高性能鈦合金粉末冶金制品，發(fā)展新的成形和燒結(jié)工藝(噴射成型、粉末注射成形、熱等靜壓等技術(shù))以消除材料中的孔隙度或?qū)⒖紫抖冉抵磷钚?，材料的拉伸性能達(dá)到甚至超過熔鍛材的水平。然而上述新技術(shù)所需設(shè)備投資大，工藝復(fù)雜，制造成本高，限制了其應(yīng)用發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料及其制備方法，制備高強(qiáng)韌性低成本顆粒增強(qiáng)合金材料。本發(fā)明的原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料的技術(shù)思想為鋁是鈦合金中應(yīng)用最廣泛的α穩(wěn)定元素，鈦合金中的鋁以置換原子方式存在于α相中，鋁的加入可降低熔點(diǎn)和提高β轉(zhuǎn)變溫度，在室溫和高溫都起到強(qiáng)化作用。Al在燒結(jié)過程中促進(jìn)了Ti與C的相互擴(kuò)散，有利于TiC顆粒相的形成和細(xì)化。此外，加鋁也能減小合金的比重。但過高的添加量會出現(xiàn)以Ti3Al為基的α 2有序固溶體，使合金變脆，熱穩(wěn)定性降低。碳是鈦合金中的間隙型α相穩(wěn)定元素，根據(jù)鈦合金的鋁當(dāng)量計(jì)算公式鋁當(dāng)量=%Al+%Sn/3+%Zr/6+%Si*4+(0，C，N)%*10，其作用是鋁的10倍。以間隙原子方式存在于α相中碳具有遠(yuǎn)高于鋁的固溶強(qiáng)化效果，本發(fā)明中碳作為合金化元素引入到合金中，碳對Al的取代作用降低了合金中Al的含量，保證合金具有好的塑韌性；通過碳的固溶強(qiáng)化和空心陰極燒結(jié)原位反應(yīng)引入高熔點(diǎn)彌散TiC顆粒相強(qiáng)化基體的手段獲得高強(qiáng)度和耐磨性能的顆粒增強(qiáng)合金材料。釩是鈦合金中最重要的β相穩(wěn)定元素，無共析反應(yīng)并且釩的原子半徑小于鈦，釩的加入促進(jìn)了燒結(jié)，細(xì)化了合金組織，因此本發(fā)明中釩的加入進(jìn)一步增強(qiáng)了合金的強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上添加錫元素，錫作為中性合金元素能夠固溶于鈦合金，能夠?qū)Ζ菱伷鸸倘軓?qiáng)化作用，同時不降低原子之間的結(jié)合力，提高其熱強(qiáng)性。本發(fā)明技術(shù)思想的可行性在于(I)鈦基合金材料的強(qiáng)韌性通過碳取代部分鋁、控制原位反應(yīng)生成TiC顆粒強(qiáng)化 相實(shí)現(xiàn)本發(fā)明合金中通過碳取代部分鋁降低鋁含量，保證了合金具有良好的塑韌性，這是本發(fā)明的合金材料中Al含量相對較低的重要原因；合金的強(qiáng)度、耐磨性能通過碳的固溶強(qiáng)化作用、改變添加石墨量和調(diào)節(jié)空心陰極燒結(jié)工藝參數(shù)控制原位反應(yīng)生成TiC顆粒強(qiáng)化相的數(shù)量、大小和分布來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)Ti-C 二元相圖，在920°C下發(fā)生包晶反應(yīng)i3_TiQ.6a .c +TiC38at%.c a -TiL6 at%.c,包晶反應(yīng)時α -Ti中的碳原子百分含量為I. 6，其質(zhì)量百分比為O. 4%。(2)選用TiC顆粒作為本發(fā)明材料強(qiáng)化相的優(yōu)點(diǎn)與TiB相比，TiC顆粒熔點(diǎn)高(3433°C )，與鈦的密度、熱膨脹系數(shù)最為接近并具有相同的泊松比，抗拉強(qiáng)度和彈性模量是鈦的4倍，與鈦的親和性又好，且能增加鈦的耐磨性。(3)原位反應(yīng)生成TiC顆粒強(qiáng)化相的實(shí)現(xiàn)條件TiC增強(qiáng)相的原位合成是利用Ti與石墨(C)之間的空心陰極燒結(jié)合成的，其反應(yīng)式為Ti+C —TiC。在選擇原位生成復(fù)合材料的強(qiáng)化相時，通常先通過熱力學(xué)分析判斷增強(qiáng)相，是否能夠通過加入物質(zhì)在基體內(nèi)自動生成，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是反應(yīng)的Gibbs自由能的變化是否小于零。另外一個需要考慮的條件是反應(yīng)生成焓，它代表反應(yīng)的熱效應(yīng)。利用文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)計(jì)算了該反應(yīng)式的反應(yīng)生成焓ΛH和反應(yīng)Gibbs自由能AG，當(dāng)反應(yīng)溫度T < 19391(時，其式厶!1和厶6可表示如下ΔH=-184571. 8+5. 024Τ-2. 425X IO^3T2-L 958X 106/T(I)AG=-184571. 8+41. 382Τ-5。024Τ1ηΤ+2· 425X 1(Γ3Τ2_9· 79X 105/T (2)計(jì)算結(jié)果表明在本發(fā)明的燒結(jié)溫度范圍內(nèi)(125(Tl500°C)，反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由能變化值(AG)和反應(yīng)生成焓(ΛΗ) —直遠(yuǎn)小于零，該反應(yīng)的絕熱溫度為3210K，超過反應(yīng)能自發(fā)維持的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)Tad> 2500K。這說明該放熱反應(yīng)是可以使反應(yīng)維持自動進(jìn)行的，即發(fā)生自蔓延高溫合成反應(yīng)，節(jié)省能源。(4)空心陰極燒結(jié)原位反應(yīng)合成的TiC顆粒強(qiáng)化相的優(yōu)點(diǎn)。粉末冶金燒結(jié)溫度對燒結(jié)制品的組織性能至關(guān)重要。一般認(rèn)為，溫度越高則燒結(jié)制品的燒結(jié)效果越好。具體表現(xiàn)在燒結(jié)體更致密化，粉末顆粒結(jié)合部位增多，孔隙形狀圓整化。但長時間的高溫作用也伴隨著有晶粒尺寸長大、燒結(jié)件收縮增大等副作用。空心陰極等離子燒結(jié)作為一種新興的粉末冶金燒結(jié)技術(shù)，它利用真空條件下產(chǎn)生輝光放電時的空心陰極效應(yīng)，在陰極表面產(chǎn)生很高密度的大能量離子轟擊，離子轟擊的熱效應(yīng)可使陰極材料被迅速加熱到很高的溫度，其燒結(jié)溫度可達(dá)3000°C，升溫速率可達(dá)100°C /S?？焖偌訜嶂粮邷赜欣诨罨Ы绾途Ц駭U(kuò)散而抑制表面擴(kuò)散，從而有利于材料的致密化過程，同時抑制內(nèi)部晶粒的生長，降低孔隙率，使材料獲得了較高的燒結(jié)密度，達(dá)到高溫快速燒結(jié)的效果。此外，空心陰極燒結(jié)利用高能粒子對粉末制品的轟擊而直接加熱而不需要專門的加熱元件，其設(shè)備體積小，溫度控制方便、能源消耗少，而且具有真空燒結(jié)的特點(diǎn)，可獲得高品質(zhì)的燒結(jié)制品。因此，空心陰極燒結(jié)技術(shù)是一種很好的原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料燒結(jié)方法?；谏鲜霭l(fā)明的技術(shù)思想，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料，所述合金材料由以下質(zhì)量百分比的組分構(gòu)成0. 2% ^ Al ( 2. 5%,O. 5%彡C彡I. 5%, 2%彡V彡5%，2. 2%彡Sn彡2. 4%，余量為Ti及不可避免的雜質(zhì)。所述不可避免的雜質(zhì)含量控制在O. 5%以下。而所述Al、C、V、Sn分別由鋁粉、石墨粉、釩粉、錫粉提供。上述原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料的制備方法(空心陰極燒結(jié)方法)，包括以下步驟I)配料按以下質(zhì)量百分比稱取相應(yīng)量的鋁粉、石墨粉和鈦粉0. 2%^ Al ( 2. 5%,
O.5%彡C彡I. 5%, 2%彡V彡5%，2. 2%彡Sn彡2. 4%，余量為Ti ;上述各組分的粉末粒度為招粉300^500目，石墨粉800 2000目，釩粉300 500目，錫粉400-600目，鈦粉300 500目；2)球磨混合將上述粉料按球料比5:1裝入球磨罐中，在轉(zhuǎn)速250 350r/min,球磨罐在氬氣保護(hù)氛圍下球磨l 2h，然后將球磨后混合料過GB/T6005規(guī)定的100目篩；3)將步驟2)中球磨過篩后的混合料通過雙向模壓的壓坯，所述模壓壓力為400 600Mpa ；4)在真空室內(nèi)設(shè)置陽極和空心陰極，陽極為真空容器殼體，空心陰極由上述制成的壓坯料和可起到隔熱作用石墨板構(gòu)成，放置在陰極上的坯料相互之間的距離為10 20mm ;5)選取工業(yè)純氬氣為濺射氣體，將爐內(nèi)真空度抽至極限，然后充入保護(hù)氣體高純氬氣，調(diào)節(jié)氬氣流量使?fàn)t內(nèi)工作氣壓達(dá)到l(T50Pa ；6)在氬氣達(dá)到工作氣壓后開啟工件電源，對坯料及陰極進(jìn)行粒子轟擊，在135(Tl550°C溫度下燒結(jié)2 6小時。為了排除爐中雜質(zhì)，在所述步驟5)與步驟6)之間，還包括步驟(I)對還料及陰極進(jìn)行粒子轟擊,并持續(xù)20min ；(2)將氣壓調(diào)節(jié)至極限真空度，排出由于粒子轟擊產(chǎn)生的雜質(zhì)；(3)若爐腔內(nèi)仍殘留有雜質(zhì)，則繼續(xù)執(zhí)行步驟(I)、(2)，直至充分滿足鈦合金的燒結(jié)。所述步驟5)爐內(nèi)工作氣壓由以下方法實(shí)現(xiàn)(I)首先依次開啟機(jī)械泵、分子泵，將爐內(nèi)真空度抽至極限；(2)然后充入保護(hù)氣體高純氬氣，調(diào)節(jié)氬氣流量使?fàn)t內(nèi)氣壓達(dá)到需要的工作氣壓；(3)待穩(wěn)定后再次抽氣至極限真空度，重復(fù)上述步驟，直至爐內(nèi)氧氣等雜質(zhì)氣體含量達(dá)到最低。本發(fā)明的效果在于本發(fā)明突破傳統(tǒng)將碳作為鈦合金雜質(zhì)元素的思想束縛，提出了把碳作為有益的合金化元素引入到合金中的新思路，碳對Al的取代作用降低了合金中Al的含量，保證合金具有好的塑韌性；通過碳的固溶強(qiáng)化和空心陰極燒結(jié)原位反應(yīng)引入高熔點(diǎn)彌散TiC顆粒相強(qiáng)化基體的手段，獲得高強(qiáng)度和耐磨性能的低成本顆粒增強(qiáng)合金材料；通過加入合金元素釩，細(xì)化了合金組織，進(jìn)一步增強(qiáng)了合金強(qiáng)度，錫作為中性合金元素能夠固溶于鈦合金，能夠?qū)Ζ菱伷鸸倘軓?qiáng)化作用，同時不降低原子之間的結(jié)合力，提高其熱強(qiáng)性。本發(fā)明提出了空心陰極燒結(jié)方法實(shí)現(xiàn)原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料的高溫快速燒結(jié)，燒結(jié)材料的致密度達(dá)到97%，并克服了鈦合金耐磨性差、彈性模量低等缺點(diǎn)，對擴(kuò)大鈦合金材料在航空航天和民用工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用將具有巨大的推動作用。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I本發(fā)明原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料的制備方法(空心陰極燒結(jié)方法)，包括以下步驟 I)配料合金材料為Ti-0. 2%Al-4%V-2. 4%Sn_0. 5%C。按照合金的配比稱取300目的鋁粉、800目的石墨粉、500目的釩粉、500目的錫粉和300目的鈦粉。2)球磨混合將上述粉料按球料比5:1裝入球磨罐中，在轉(zhuǎn)速350r/min,球磨時間Ih。為防止在球磨過程中粉體氧化，球磨罐通入氬氣保護(hù)。然后將球磨后混合料過GB/T6005規(guī)定的100目篩。3)將步驟2)中球磨過篩后的混合料通過雙向模壓的壓坯，所述的模壓壓力為400Mpao4)在真空室內(nèi)設(shè)置陽極和空心陰極，空心陰極由上述制成的壓坯料和可起到隔熱作用石墨板構(gòu)成，放置在陰極上的坯料相互之間的距離為10mm。5)選取工業(yè)純氬氣為濺射氣體，將爐內(nèi)真空度抽至極限，然后充入保護(hù)氣體高純氬氣，調(diào)節(jié)氬氣流量使?fàn)t內(nèi)氣壓達(dá)到10Pa?？招年帢O等離子燒結(jié)與真空燒結(jié)爐，燒結(jié)過程需在一定的工作氣壓下才能實(shí)現(xiàn)。爐內(nèi)工作氣壓由以下方法實(shí)現(xiàn)(I)首先依次開啟機(jī)械泵、分子泵，將爐內(nèi)真空度抽至極限；(2)然后充入保護(hù)氣體高純氬氣，調(diào)節(jié)氬氣流量使?fàn)t內(nèi)氣壓達(dá)到需要的工作氣壓；(3)待穩(wěn)定后再次抽氣至極限真空度，重復(fù)上述步驟，直至爐內(nèi)氧氣等雜質(zhì)氣體含量達(dá)到最低。6)在氬氣達(dá)到工作氣壓后開啟工件電源，對坯料及陰極進(jìn)行粒子轟擊，在1550°C溫度下燒結(jié)2小時。在上述步驟5)與步驟6)之間，還包括步驟(I)對還料及陰極進(jìn)行粒子轟擊,并持續(xù)20min ；(2)將氣壓調(diào)節(jié)至極限真空度，排出由于粒子轟擊產(chǎn)生的雜質(zhì)；(3)若爐腔內(nèi)仍殘留有雜質(zhì)，則繼續(xù)執(zhí)行步驟(I)、步驟(2)，直至充分滿足鈦合金的燒結(jié)。采用上述方法制備的Ti-0. 2%Al-4%V-2. 4%Sn_0. 5%C合金的抗彎強(qiáng)度為715Mpa，相對密度為96%。實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例I相同，不同的是步驟I)所制備的合金材料為Ti-o. 6%Al-5°/oV-2. 2%Sn-l. 5%C。按照合金的配比稱取500目的鋁粉、1500目的石墨粉、300目的釩粉、400目的錫粉和500目的鈦粉；與步驟2)不同的是在轉(zhuǎn)速300r/min，球磨時間
I.5h ;與步驟3)不同的是所用的模壓壓力為600Mpa ;與步驟4)不同的是放置在陰極上的坯料相互之間的距離為20mm ;與步驟5)不同的是調(diào)節(jié)氬氣流量使?fàn)t內(nèi)工作氣壓達(dá)到30Pa ；與步驟6)不同的是在1350°C溫度下燒結(jié)6小時，其余均與實(shí)施I相同。采用上述方法制備的合金材料Ti-0. 6%Al-5%V-2. 2%Sn-l. 5%C的抗彎強(qiáng)度為860Mpa，相對密度為95%。實(shí)施例3本實(shí)施例與實(shí)施例I相同，不同的是步驟I)所制備的合金材料為Ti-1. 5%Al-2%V-2. 2%Sn-l. 0%C。按照合金的配比稱取400目的鋁粉、2000目的石墨粉、400目的釩粉、600目的錫粉和400目的鈦粉；與步驟2)不同的是在轉(zhuǎn)速250r/min，球磨時間 2h ;與步驟3)不同的是所用的模壓壓力為500Mpa ;與步驟4)不同的是放置在陰極上的坯料相互之間的距離為15mm ;與步驟5)不同的是調(diào)節(jié)氬氣流量使?fàn)t內(nèi)工作氣壓達(dá)到50Pa ;與步驟6)不同的是在1450°C溫度下燒結(jié)4小時，其余均與實(shí)施I相同。采用上述方法制備的合金材料Ti-1. 5%Al-2%V-2. 2%Sn-l. 0%C的抗彎強(qiáng)度為925Mpa，相對密度為96%。實(shí)施例4本實(shí)施例與實(shí)施例I相同，不同的是步驟I)所制備的合金材料為Ti-2. 5%Α1-2· 5%V-2. 3%Sn_l. 5%C。按照合金的配比稱取500目的鋁粉、2000目的石墨粉、300目的釩粉、400目的錫粉和400目的鈦粉；與步驟2)不同的是在轉(zhuǎn)速300r/min，球磨時間2h ;與步驟3)不同的是所用的模壓壓力為450Mpa ;與步驟4)不同的是放置在陰極上的坯料相互之間的距離為15mm ;與步驟5)不同的是調(diào)節(jié)氬氣流量使?fàn)t內(nèi)工作氣壓達(dá)到35Pa ；與步驟6)不同的是在1480°C溫度下燒結(jié)4小時，其余均與實(shí)施I相同。采用上述方法制備的合金材料Ti-2. 5%Al-2. 5%V-2. 3%Sn_l. 5%C的抗彎強(qiáng)度為940Mpa，相對密度為97%。
權(quán)利要求
1.一種原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料，其特征在于所述合金材料由以下質(zhì)量百分比的組分構(gòu)成0· 2%彡Al彡2. 5%, O. 5%彡C彡I. 5%, 2% ^ V ^ 5%，2.2%彡Sn彡2. 4%，余量為Ti及不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料，其特征在于所述不可避免的雜質(zhì)含量控制在O. 5%以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料，其特征在于所述Al、C、V、Sn分別由招粉、石墨粉、f凡粉、錫粉提供。
4.一種原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟 O配料按以下質(zhì)量百分比稱取相應(yīng)量的鋁粉、石墨粉、釩粉、錫粉和鈦粉0. 2% ( Al(2. 5%, O. 5%彡C彡I. 5%, 2%彡V彡5%，2. 2%彡Sn彡2. 4%，余量為Ti ;上述各組分的粉末粒度為鋁粉300 500目，石墨粉800 2000目，釩粉300 500目，錫粉400-600目，鈦粉300 500 目； 2)球磨混合將上述粉料按球料比5:1裝入球磨罐中，在轉(zhuǎn)速25(T350r/min，球磨罐在氬氣保護(hù)氛圍下球磨l 2h，然后將球磨后混合料過GB/T6005規(guī)定的100目篩； 3)將步驟2)中球磨過篩后的混合料通過雙向模壓的壓坯，所述模壓壓力為400 600Mpa ； 4)在真空室內(nèi)設(shè)置陽極和空心陰極，陽極為真空容器殼體，空心陰極由上述制成的壓坯料和可起到隔熱作用石墨板構(gòu)成，放置在陰極上的坯料相互之間的距離為l(T20mm ； 5)選取工業(yè)純氬氣為濺射氣體，將爐內(nèi)真空度抽至極限，然后充入保護(hù)氣體高純氬氣，調(diào)節(jié)氬氣流量使?fàn)t內(nèi)工作氣壓達(dá)到l(T50Pa ； 6)在氬氣達(dá)到工作氣壓后開啟工件電源，對坯料及陰極進(jìn)行粒子轟擊，在135(T1550°C溫度下燒結(jié)2飛小時。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料的制備方法，其特征在于在所述步驟5)與步驟6)之間，還包括步驟 (1)對坯料及陰極進(jìn)行粒子轟擊，并持續(xù)20min； (2)將氣壓調(diào)節(jié)至極限真空度，排出由于粒子轟擊產(chǎn)生的雜質(zhì)； (3)若爐腔內(nèi)仍殘留有雜質(zhì)，則繼續(xù)執(zhí)行步驟(I)、(2)，直至充分滿足鈦合金的燒結(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料的制備方法，其特征在于所述步驟5)爐內(nèi)工作氣壓由以下方法實(shí)現(xiàn) (O首先依次開啟機(jī)械泵、分子泵，將爐內(nèi)真空度抽至極限； (2)然后充入保護(hù)氣體高純氬氣，調(diào)節(jié)氬氣流量使?fàn)t內(nèi)氣壓達(dá)到需要的工作氣壓； (3)待穩(wěn)定后再次抽氣至極限真空度，重復(fù)上述步驟，直至爐內(nèi)氧氣等雜質(zhì)氣體含量達(dá)到最低。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-釩-錫合金材料，所述合金材料的組成成分質(zhì)量百分配比為0.2%≤Al≤2.5%，0.5%≤C≤1.5%，2%≤V≤5%，2.2%≤Sn≤2.4%，余量為Ti及不可避免的雜質(zhì)，上述合金材料通過以下方法實(shí)現(xiàn)1)配料按上述質(zhì)量百分比稱取相應(yīng)量的鋁粉、石墨粉、釩粉、錫粉和鈦粉；2)球磨混合；3)將步驟2)中球磨過篩后的混合料通過雙向模壓的壓坯；4)將生坯放入真空容器陰極上；5)調(diào)節(jié)爐內(nèi)真空度；6)在氬氣達(dá)到工作氣壓后對坯料及陰極進(jìn)行粒子轟擊燒結(jié)；本發(fā)明碳取代部分鋁作為合金化元素引入到合金中，通過碳的固溶強(qiáng)化和空心陰極快速燒結(jié)原位反應(yīng)引入高熔點(diǎn)彌散TiC顆粒相強(qiáng)化基體的手段，獲得高強(qiáng)度和耐磨性能的低成本顆粒增強(qiáng)合金材料。
文檔編號C22C14/00GK102864337SQ20121037131
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者劉希琴, 劉子利, 劉伯路, 王懷濤, 王文靜 申請人:蘇州東海玻璃模具有限公司