一種原位自生TiC-Ti5Si3顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鈦基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體是一種原位自生TiC-Ti5Si3顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦基復(fù)合材料(TMCs)是一種新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，它具有低密度、高比強(qiáng)、以及優(yōu)異的疲勞和蠕變性能，有望做為結(jié)構(gòu)材料在新一代航空航天飛行器、主戰(zhàn)坦克以及先進(jìn)汽車耐熱部件中獲得廣泛應(yīng)用。然而鈦基復(fù)合材料室溫塑性和韌性差，600°C高溫蠕變抗力低等問題限制了它的實際應(yīng)用。
[0003]據(jù)報道，原位自生顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料兼有鈦合金和陶瓷顆粒的優(yōu)點，是提高鈦基復(fù)合材料室溫塑性和高溫強(qiáng)度的重要方法。與傳統(tǒng)外加法制備的鈦基復(fù)合材料相比較，原位自生的鈦基復(fù)合材料具有增強(qiáng)相與鈦合金基體相容性好、穩(wěn)定性高、界面干凈等優(yōu)點。TiC和Ti5Si3顆粒具有較優(yōu)異的性能，如彈性模量高，熱穩(wěn)定好，并且與鈦合金基體有著良好的相容性，高溫穩(wěn)定性及抗氧化性能優(yōu)異等。因此，自上世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外對原位自生TiC增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備工藝進(jìn)行了較多的研究。
[0004]鈦基復(fù)合材料的制備方法有多種，如自耗電極熔煉法、粉末冶金法、等離子燒結(jié)法、自蔓延高溫合成法等，這些方法要么熔煉前多次制備電極，要么涉及粉末制備過程，不可避免地遭受油性介質(zhì)及氣體的污染;另外，這些制備方法制得的復(fù)合材料成分偏析嚴(yán)重、致密性低、性能差，通常需要后續(xù)二次加工處理，工序繁瑣，能耗巨大，增加了生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:如何解決現(xiàn)有鈦基復(fù)合材料成分偏析嚴(yán)重、致密性低、室溫塑性及高溫強(qiáng)度低、工藝復(fù)雜，能耗大成本高的問題。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種原位自生TiC_Ti5Si3顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法，該原位自生T i C - T i 5 S i 3是一種新型混雜增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，該原位自生T i C -Ti5Si3顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料中TiC-Ti5Si3顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的0.57%?22.8%，按照如下的步驟進(jìn)行:
步驟一、根據(jù)制備完成后TiC-Ti5Si3顆粒總質(zhì)量，鈦粉和碳化硅粉的摩爾比為5:1?10:1，計算合成TiC-Ti5Si3顆粒所需的鈦粉和碳化硅粉質(zhì)量，將鈦粉粉碎成直徑為20?60μπι的顆粒，將碳化硅粉粉碎成直徑為0.05?1 Ομπι，在球料機(jī)中使用球料質(zhì)量比為10:1?20:1混合均勻備用；
步驟二、根據(jù)制備完成后鈦基復(fù)合材料基體合金總質(zhì)量，計算所需材料量，鈦基復(fù)合材料基體合金按元素質(zhì)量百分比含5%?7%的Al、0-4%的Sn，0-5%的Zr，0.5%?3%的Μο，0~2%的他，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)組成，首先計算后稱量311、2^10、他材料，由于熔煉的Sn、Zr、Mo、Nb—般是以合金形式加入，以純金屬或者招合金或者鈦合金的形式準(zhǔn)備Sn、Zr、Mo、Nb合金，剩余鋁的量以純鋁的形式準(zhǔn)備，剩余鈦的量以海綿鈦的形式準(zhǔn)備，原材料中純鈦以海綿鈦形式加入有利于最終合金的力學(xué)的性能；
步驟三、按照質(zhì)量百分比首先向氧化釔陶瓷坩禍內(nèi)裝入30%?50%步驟二準(zhǔn)備的海綿鈦，然后依次裝入40%?60%步驟二準(zhǔn)備的Sn、Zr、Mo、Nb純金屬及合金、5%?10%步驟二準(zhǔn)備的海綿鈦、30%?40%步驟一準(zhǔn)備的鈦粉和碳化硅粉，5%?10%步驟二準(zhǔn)備的海綿鈦、剩余步驟二準(zhǔn)備的Sn、Zr、Mo、Nb純金屬及合金、5%?10%步驟二準(zhǔn)備的海綿鈦、剩余的步驟一準(zhǔn)備的鈦粉和碳化硅粉、剩余步驟二準(zhǔn)備的海綿鈦，最后裝入步驟二準(zhǔn)備的純鋁，按照順序的添加能夠增強(qiáng)最終合金的力學(xué)性能，并且減少了復(fù)合材料成分偏析；
步驟四、將氧化釔陶瓷坩禍放入真空感應(yīng)熔煉爐中，抽真空至真空度為7 X 10-3Pa?10-2Pa后開始熔煉，緩慢熔化，完全熔化后保溫3min?8min，將熔體澆注到預(yù)熱溫度為400°0500°C的金屬型模具中，冷卻后即制得原位自生TiC-Ti5Si3顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。
[0007]作為一種優(yōu)選方式:步驟二中，鈦基復(fù)合材料基體合金成份為T1-6.2Al-3Sn-4Zr-0.8Nb-2Mo，計算并準(zhǔn)備純錫、海綿鋯、鋁鈮中間合金和鋁鉬中間合金，然后再準(zhǔn)備海綿鈦和純鋁。
[0008]作為一種優(yōu)選方式:步驟二中，鈦基復(fù)合材料基體合金成份為T1-5Al-2Sn-3Zr-lNb-0.8Mo，計算并準(zhǔn)備純錫、海綿鋯、鋁鈮中間合金和鋁鉬中間合金，然后再準(zhǔn)備海綿鈦和純鋁。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明可簡便、低成本制備出成分均勻、性能優(yōu)良、高致密度的新型原位自生鈦基復(fù)合材料，并且可適用于大批量的工業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實施方式】
[0010]實施例1
本實施例中以 TiC-Ti5Si3 顆粒增強(qiáng) T1-6.2Al-3Sn_4Zr-0.8Nb_2Mo，TiC_Ti5Si3 占總質(zhì)量的10%。
[0011]計算并準(zhǔn)備海綿鈦、純鋁塊、鈦粉、碳化硅粉、純錫、海綿鋯、鋁鈮中間合金和鋁鉬中間合金。鈦粉與碳化娃粉的摩爾比為6:1，稱取粒度為45μηι鈦粉和粒度為5μηι的碳化娃粉進(jìn)行機(jī)械混粉，混粉時間為5小時，球料比為10:1，得到混合均勻的鈦粉和碳化硅粉的混合粉末。
[0012]首先向氧化釔陶瓷坩禍內(nèi)裝入40%稱取量的海綿鈦，然后依次裝入50%稱取量的純錫、海綿鋯、鋁鈮中間合金和鋁鉬中間合金，10%稱取量的海綿鈦，40%稱取量的鈦粉和碳化硅粉的混合粉末，10%稱取量的海綿鈦，剩余純錫、海綿鋯、鋁鈮中間合金和鋁鉬中間合金，10%稱取量的海綿鈦，剩余稱取量的鈦粉和碳化硅粉的混合粉末，剩余的海綿鈦，最后裝入純招塊。
[0013]將氧化釔陶瓷真空感應(yīng)熔煉爐中抽真空至真空度為8X10_3Pa后開始熔煉，設(shè)置電源功率以< 0.05KW/S的速率增加至28KW，待復(fù)合材料全部熔化后再將電源功率降至8KW保溫5min，然后將熔體澆注到預(yù)熱溫度為450°C的金屬型模具中，冷卻后即制得原位自生lOvol.%TiC-Ti5Si3顆粒增強(qiáng)T1-6.2Al-3Sn_4Zr-0.8Nb_2Mo鈦基復(fù)合材料。(本實例中原料按重量百分比計為:海綿鈦79.37wt.%,SiC2.34wt%，鈦粉 7.46wt