復合鈦粉與鈦基復合材料及其制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本申請大體上涉及材料學領域。具體地，本申請涉及復合鈦粉與鈦基復合材料。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦基復合材料具有比鈦合金更高的比強度和比模量，具有極佳的疲勞和蠕變性能，并克服了原鈦合金耐磨性及高溫性能差等缺點。特別是具有增強相包圍在球形基體周圍形成的結(jié)構(gòu)具有較好的強韌性配合，理論上較普通鈦基復合材料具有更為優(yōu)異的強度及塑形變形能力。而基于“離散/堆積”原理發(fā)展起來的快速成形技術(shù)無疑是未來復合材料的重大發(fā)展趨勢，卻由于缺少適配的特種復合粉體而難以直接制備出具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的鈦基復合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]—方面，本申請涉及制備復合鈦粉的方法，其包括:
[0004]a)利用研磨的方式使TiB2粉末包覆在TC4顆粒的表層，以便獲得TC4/TiB 2核殼結(jié)構(gòu)的初步粉體；
[0005]b)將所述初步粉體置于抽真空并充惰性氣體保護的容器中；
[0006]c)將所述容器直接放置到高溫環(huán)境中，并保溫一定時間，以便在所述初步粉體表層生成TiB晶須；以及
[0007]d)到達保溫時間后，使所述容器脫離高溫環(huán)境并冷卻，從而得到所述復合鈦粉。
[0008]另一方面，本申請涉及復合鈦粉，其由包括以下步驟的方法制備得到:
[0009]a)利用研磨的方式使TiB2粉末包覆在TC4顆粒的表層，以便獲得TC4/TiB 2核殼結(jié)構(gòu)的初步粉體；
[0010]b)將所述初步粉體置于抽真空并充惰性氣體保護的容器中；
[0011]c)將所述容器直接放置到高溫環(huán)境中，并保溫一定時間，以便在所述初步粉體表層生成TiB晶須；以及
[0012]d)到達保溫時間后，使所述容器脫離高溫環(huán)境并冷卻，從而得到所述復合鈦粉。
[0013]再一方面，本申請涉及制備鈦基復合材料的方法，其包括:
[0014]a)利用研磨的方式使TiB2粉末包覆在TC4顆粒的表層，以便獲得TC4/TiB 2核殼結(jié)構(gòu)的初步粉體；
[0015]b)將所述初步粉體置于抽真空并充惰性氣體保護的容器中；
[0016]c)將所述容器直接放置到高溫環(huán)境中，并保溫一定時間，以便在所述初步粉體表層生成TiB晶須；
[0017]d)到達保溫時間后，使所述容器脫離高溫環(huán)境并冷卻，從而得到復合鈦粉；以及
[0018]e)對所述復合鈦粉進行高能激光加熱，從而得到所述鈦基復合材料。
[0019]又一方面，本申請涉及鈦基復合材料，其由包括以下步驟的方法制備得到:
[0020]a)利用研磨的方式使TiB2粉末包覆在TC4顆粒的表層，以便獲得TC4/TiB 2核殼結(jié)構(gòu)的初步粉體；
[0021]b)將所述初步粉體置于抽真空并充惰性氣體保護的容器中；
[0022]c)將所述容器直接放置到高溫環(huán)境中，并保溫一定時間，以便在所述初步粉體表層生成TiB晶須；
[0023]d)到達保溫時間后，使所述容器脫離高溫環(huán)境并冷卻，從而得到復合鈦粉；以及
[0024]e)對所述復合鈦粉進行高能激光加熱，從而得到所述鈦基復合材料。
【附圖說明】
[0025]圖1 (a)和(b)分別為本公開實施例1所得的復合鈦粉的微觀表面形貌及截面顯微組織，(c)和(d)分別為利用所得復合粉體作為原料，利用高能激光加熱后所獲得材料的顯微組織組織。
[0026]圖2 (a)和(b)分別為本公開實施例2所得的復合鈦粉的微觀表面形貌及截面顯微組織，(c)和(d)分別為利用所得復合粉體作為原料，利用高能激光加熱后所獲得材料的顯微組織組織。
[0027]圖3 (a)和(b)分別為本公開實施例3所得的特種復合鈦粉的微觀表面形貌及截面顯微組織，(c)和(d)分別為利用所得復合粉體作為原料，利用高能激光加熱后所獲得材料的顯微組織組織。
【具體實施方式】
[0028]在以下的說明中，包括某些具體的細節(jié)以對各個公開的實施方案提供全面的理解。然而，相關領域的技術(shù)人員會認識到，不采用一個或多個這些具體的細節(jié)，而采用其它方法、部件、材料等的情況下可實現(xiàn)實施方案。
[0029]除非本公開中另外要求，在整個說明書和權(quán)利要求書中，詞語“包括”和“包含”應解釋為開放式的、含括式的意義，即“包括但不限于”。
[0030]在整個本公開中提到的“一實施方案”或“實施方案”或“在另一實施方案中”或“在某些實施方案中”意指在至少一實施方案中包括與該實施方案所述的相關的具體參考要素、結(jié)構(gòu)或特征。因此，在整個公開中不同位置出現(xiàn)的短語“在一實施方案中”或“在實施方案中”或“在另一實施方案中”或“在某些實施方案中”不必全部指同一實施方案。此外，具體要素、結(jié)構(gòu)或特征可以任何適當?shù)姆绞皆谝粋€或多個實施方案中結(jié)合。
[0031]宙義
[0032]在本文中，術(shù)語“TC4”系指組成為T1-6A1_4V的鈦合金材料，屬于(α + β )型鈦合金。
[0033]在本文中，術(shù)語“TC4/TiB嵌入式準包覆型復合鈦粉”系指一種表層TiB增強體呈短纖維狀、離散釘扎分布而芯部則為原始基體組織結(jié)構(gòu)的TC4/TiB嵌入式準包覆型復合鈦粉。每一顆復合粉體均由芯部的合金基體顆粒及外層釘扎分布的陶瓷增強體相互組成，在極小的微觀結(jié)構(gòu)單元內(nèi)將金屬、陶瓷兩相相互組合，粉體芯部整體表現(xiàn)為增強體貧化區(qū)，而表層則顯現(xiàn)為增強體密集團聚層，在單顆復合粉體內(nèi)部呈現(xiàn)出微觀薄層區(qū)梯度效果。
[0034]在本文中，術(shù)語“TiB增強體”系指TiB晶須。
[0035]在本文中，術(shù)語“短纖維狀”系指具有一定長徑比的、非連續(xù)、短棒狀纖維。
[0036]在本文中，術(shù)語“離散釘扎”系指各TiB晶須相互分散、向顆粒內(nèi)部嵌入分布，而不是一個連續(xù)的殼體。
[0037]在本文中，術(shù)語“微觀增強體可控的分布”系指微觀硬質(zhì)增強相釘扎包圍在球形基體周圍，沿原粉體界面呈準連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布、原粉體內(nèi)部呈梯度分布特征。
[0038]具體實施方案
[0039]—方面，本申請涉及制備復合鈦粉的方法，其包括:
[0040]a)利用研磨的方式使TiB2粉末包覆在TC4顆粒的表層，以便獲得TC4/TiB 2核殼結(jié)構(gòu)的初步粉體；
[0041]b)將所述初步粉體置于抽真空并充惰性氣體保護的容器中；
[0042]c)將所述容器直接放置到高溫環(huán)境中，并保溫一定時間，以便在所述初步粉體表層生成TiB晶須；以及
[0043]d)到達保溫時間后，使所述容器脫離高溫環(huán)境并冷卻，從而得到所述復合鈦粉。
[0044]能夠用于本申請的示例性的研磨方式包括但不限于球磨、振動、攪拌。
[0045]能夠用于本申請的示例性的球磨包括但不限于機械球磨。
[0046]能夠用于本申請的示例性的振動包括但不限于機械振動。
[0047]能夠用于本申請的示例性的攪拌包括但不限于機械攪拌。
[0048]在某些實施方案中，球磨頻率約為15-40HZ。在某些實施方案中，球磨頻率約為20-40HZ。在某些實施方案中，球磨頻率約為25-40HZ。
[0049]在某些實施方案中，球磨時間約為4-10小時。在某些實施方案中，球磨時間約為6-10小時。在某些實施方案中，球磨時間約為8-10小時。
[0050]在某些實施方案中，球料質(zhì)量比約為3:1-8:1。在某些實施方案中，球料質(zhì)量比約為 5:1-8:1。
[0051]在某些實施方案中，在TC4顆粒表層形成機械粘附狀態(tài)的TiB2殼層。
[0052]在某些實施方案中，抽真空的真空度約為5_102Pa。在某些實施方案中，抽真空的真空度約為5-30Pa。在某些實施方案中，抽真空的真空度約為5-40Pa。在某些實施方案中，抽真空的真空度約為5_60Pa。
[0053]能夠用于本申請的惰性氣體的示例性實例包括但不限于氬氣、氖氣。
[0054]在某些實施方案中，惰性氣體的氣壓約為0.04-0.09MPa。在某些實施方案中，惰性氣體的氣壓約為0.08-0.085MPa。在某些實施方案中，惰性氣體的氣壓約為0.08-0.09MPa。在某些實施方案中，惰性氣體的氣壓約為0.07-0.08MPa。
[0055]能夠用于本申請的容器的示例性實例包括但不限于石英容器各類合金、陶瓷容器等耐高溫容器。
[0056]能夠用于本申請的置入高溫環(huán)境的方式的示例性實例包括但不限于到溫入爐、隨爐快速升溫、感應加熱、微波加熱、激光加熱。
[0057]在某些實施方案中，高溫環(huán)境的溫度約為1000°C -1250°C。在某些實施方案中，高溫環(huán)境的溫度約為1092°C -1250°C。在某些實施方案中，高溫環(huán)境的溫度約為1100°C -1250°C。在某些實施方案中，高溫環(huán)境的溫度約為1150°C -1250°C。
[0058]在某些實施方案中，保溫時間約為20-180分鐘。在某些實施方案中，保溫時間約為60-180分鐘。在某些實施方案中，保溫時間約為150-180分鐘。
[0059]能夠用于本申請的冷卻方式的示例性實例包括但不限于空冷、液氮冷卻、沙坑冷卻、隨爐冷卻、放入保溫箱中的冷卻。
[0060]在某些實施方案中，TC4和表面的TiBjl發(fā)生反應，在粉體表層生成TiB晶須。
[0061]在某些實施方案中，復合鈦粉為表層具有TiB增強體呈短纖維狀、離散釘扎分布，芯部為初始基體組織結(jié)構(gòu)的TC4/TiB嵌入式準包覆型復合鈦粉。
[0062]通過本公開的方法制備的復合鈦粉作為原材料用于后續(xù)加工不僅可以保持內(nèi)核大顆粒粉體的物化性能，而且還具有包覆層TiB的優(yōu)良特性。即:
[0063](1)成分均勻:每顆包覆型粉末均是由芯核粉體及周圍均勻完整的包覆層所組成，而且在貯存、運輸和使用過程中不會發(fā)生偏析，從而保證了其加工產(chǎn)品的均勻一致。
[0064](2)機械分散性好:它與同一粒度級別的混合粉相比，兩相之間具有最大的接觸表面，機械分散性好，極有利于產(chǎn)品的均勻性、穩(wěn)定性。
[0065](3)包覆層對芯核粉末起著良好的保護作用:復合粉的包覆層既可防止芯核材料在高溫下可能發(fā)生的氧化、氮化等污染作用，減少芯核材質(zhì)的損失以及有利于激光加熱階段粉體間液相燒結(jié)等特點。
[0066]另一方面，本申請涉及復合鈦粉，制備所述復合鈦粉的方法包括:
[0067]a)利用研磨的方式使TiB2粉末包覆在TC4顆粒的表層，以便獲得TC4/TiB 2核殼結(jié)構(gòu)的初步粉體；
[0068]b)將所述初步粉體置于抽真空并充惰性氣體保護的容器中；
[0069]c)將所述容器直接放置到高溫