CN101306501A - 一种高强度Ti6Al4V双相增强复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以TiC、TiB两相为颗粒增强体，Ti6Al4V为基体的钛基高强度复合材料制备方法。包括以下步骤，将钛粉、铝钒合金粉、二硼化钛粉、碳化钛粉以原料，按照一定的比例混粉，然后利用机械压或等净压在280－300MPa的压力下保压，压制成一定的形状，再在1200℃的温度下进行烧结，反应；然后将烧结后的材料进行锻造，根据材料的用途和制备产品情况选择不同的锻造方式；最后进行热处理，即得到高强度的Ti6Al4V双相增强复合材料。本发明制备的双相增强复合材料常温抗拉强度大于1200MPa的同时，其断后伸长率也达到了4％以上，可以广泛应用于航空航天器、航海舰船、汽车或体育器材上的钛合金零件等等。

Description

一种高强度Ti6Al4V双相增强复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金复合材料的制备方法，特别是涉及以Ti6Al4V为基体以TiC、TiB2为颗粒增强相的双相增强复合材料的制备方法。
背景技术
钛元素在地壳中的含量仅次于镁(Mg)、铁(Fe)、铝(Al)，在金属元素中排在第四位。钛合金材料以其轻质、比强度高、中低温性能好、耐腐蚀等优良的性能而成为被受人们关注的材料，现已被广泛应用于航空、航天领域和其他民用领域，如汽车、体育器材等。Ti6Al4V以其优异的机械性能成为众多钛合金牌号中应用最广泛的一种钛合金材料，基于Ti6Al4V的复合材料也成为倍受人们关注的焦点。TiB2和TiC是最常见的两种颗粒增强剂，基于这两种颗粒增强的Ti6Al4V材料也被广泛的研究，但研究对象均为单相增强材料，且采用不同的制备工艺得到的复合材料性能差别比较大。从报道的结果看，通过TiB2或TiC的加入，材料的抗拉强度、弹性模量都有了很大程度的提高，但在常温抗拉强度在大于1200MPa的高强度钛合金材料中，其断后伸长率都降到了3％以下，这在很大程度上限制了材料的应用。因而，申请人在现有技术的基础上进行了大量的研究和实验，得到一种TiB2和TiC双相复合的方法，使增强后的复合材料在常温抗拉强度大于1200Mpa的同时，其断后伸长率也达到了4％以上，解决现有技术中的一大难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种技术工艺容易实现、力学性能优良的以Ti6Al4V为基体以TiC和TiB2为颗粒增强相的双相增强复合材料的制备方法。
本发明的技术方案是：
1.混粉
以钛粉(Ti)、铝钒合金粉(Al/V)、二硼化钛粉(TiB2)、碳化钛粉(TiC)为原料，按照一定的比例装入混料机进行搅拌混合1.5小时。所有原料均为-250目的粉末，且原料的氧含量均低于0.4wt％。钛粉和铝钒粉的比例按照Ti6Al4V的配比标准进行混合，碳化钛粉的含量为2wt％-4wt％，二硼化钛粉的含量为4wt％-7wt％。
2.压制
将混合好的粉末装入模具，利用机械压或等净压在280MPa-300MPa的压力下保压15-30分钟，将材料压制成一定的形状。此时，压制后材料的密度可达到材的78％-86％。
3.烧结
将压制好的材料坏体在真空气氛下烧结6-8个小时，烧结温度为1200℃，保温时间根据样品尺寸确定，真空度小于5×10-3Pa。通过烧结工序，材料的密度可达到材料理论密度的90％-95％。
在此过程中，TiB2会和基体中的Ti发生如下反应完全转化为TiB，TiB和基体具有更好的相容性。
TiB2+Ti→2TiB
4.锻造
烧结后的材料在1080℃-1120℃下进行锻造。可根据材料的用途和要制备的产品情况选择不同的锻造方式，若采用开放式锻造则其变形量应大于30％。经过锻造工序，材料的致密度达到96-100％。
5.热处理
将锻造后的半成品材料放入真空炉中，在760℃-800℃下保温60-150分钟，随炉冷却，其中真空度不低于1×10-1Pa。至此，就得到了这种高强度Ti6Al4V双相增强复合材料。
本发明与现有钛合金复合材料及其制备技术相比，本发明具有如下优点：
1、采用常规方法和常规设备，工艺简单，容易实现批量生产。
2、采用混粉进行混合，使其TiC和TiB颗粒在基体中分散均匀且颗粒细小。
3、材料综合力学性能优良，在材料抗拉强度保持在较高水平上的同时，延伸率保持在4％以上。解决了现有技术中提高抗拉强度但延伸率降低到无法接受之难点。本方法制备的材料其抗拉强度在1180MPa-1280MPa之间，且其断后伸长率为4％-9％。
具体实施方式
本申请利用混粉、烧结、锻造方法制备Ti6Al4V高强度双相增强复合材料，下面就结合实例对本发明作进一步描述。
1.混粉
取-250目钛粉2484g钛粉，-250目60#铝钒合金粉276g，-250目碳化钛粉90g，-250目二硼化钛粉150g，装入混料机进行机械混合1.5小时，得到均匀的Ti6Al4V/(3wt％TiC+5wt％TiB2)复合材料混合粉。
2.压制
将混合好的粉末装入模具，在机械压机上300MPa的压力下保压15分钟，将材料压制成Φ80×150mm的圆棒。此时，压制后材料的密度为3.75g/cm3，为理论密度的83.5％。
3.烧结
将压制好的棒材坏体放入真空烧结炉中，在2×10-3Pa的真空气氛、1200℃的烧结温度下，保温8个小时。然后随炉降温，待材料降低到40℃，可打开炉门将材料取出。通过烧结工序，材料的密度为4.12，达到材料理论密度的91.8％。
4.锻造
烧结后的棒材在5t自由煅锤上1100℃下进行拔长锻造。首先，将原料涂防氧化涂层后放入已升温至1100℃的电炉中，保温90分钟，然后将加热后的圆棒迅速取出放到煅锤上进行锻造，最后将Φ80×150mm的棒材锻为Φ40的细圆棒。此时，材料的密度为4.46g/cm3，达到材料理论密度的99.5％。
5.热处理
将锻造后的Φ40圆棒放入真空炉中，在780℃下保温80分钟，随炉冷却，其中真空度不低于1×10-1Pa。至此，就得到了高强度Ti6Al4V双相增强复合材料。
表1给出了本发明的四组技术方案。通过不同的材料配比和不同的实验参数制备了四组不同的高强度Ti6Al4V双相增强复合材料。
表1几种高强度Ti6Al4V双相增强复合材料的制备方案
试样编号   TiC含量(wt％)   TiB2含量(wt％) 烧结条件   锻造温度(℃) 热处理条件
  No1   3   5   1200℃8h   1100   780℃80min
  No2   2   4   1200℃8h   1100   780℃80min
  No3   4   7   1200℃8h   1100   780℃80min
  No4   3   5   1200℃8h   1080   760℃80min
  对比例1   8   --   1200℃8h   1100   780℃80min
  对比例2   --   8   1200℃8h   1100   780℃80min
上述四种高强度Ti6Al4V双相增强复合材料的性能如表2所示。
表2几种高强度Ti6Al4V双相增强复合材料的力学性能
试样编号   抗拉强度(MPa)   屈服强度(MPa)   杨氏模量(MPa) 断后伸长率(％)
  No1   1230   1190   131   5.3
  No2   1185   1105   125   8.4
  No3   1288   1215   136   4.1
  No4   1224   1183   129   5.6
  对比例1   1226   1153   134   2.8
  对比例2   1204   1131   130   2.6

Claims (3)

1、一种高强度Ti6Al4V双相增强复合材料的制备方法，其特征在于：
步骤1.混粉
以钛粉Ti、铝钒合金粉Al/V、二硼化钛粉TiB2、碳化钛粉TiC为原料，按照一定的比例装入混料机进行搅拌混合1.5小时，所有原料均为一定目数的粉末，且原料的氧含量均低于0.4wt％。
步骤2.压制
将混合好的粉末装入模具，利用机械压或等净压在280MPa-300MPa的压力下保压15-30分钟，将材料压制成一定的形状，此时，压制后材料的密度可达到材的78％-86％。
步骤3.烧结
将压制好的材料坏体在真空气氛下烧结6-8个小时，烧结温度为1200℃，保温时间根据样品尺寸确定，真空度小于5×10-3Pa。通过烧结工序，材料的密度可达到材料理论密度的90％-95％。
步骤4.锻造
烧结后的材料在1080℃-1120℃下进行锻造，可根据材料的用途和要制备的产品情况选择不同的锻造方式。经过锻造工序，材料的致密度达到96-100％。
步骤5.热处理
将锻造后的半成品材料放入真空炉中，在760℃-800℃下保温60-150分钟，随炉冷却，其中真空度不低于1×10-1Pa，至此，就得到了这种高强度Ti6Al4V双相增强复合材料。
2、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤1中所有原料均为-250目的粉末。
3、如权利要求1和2所述的制备方法，其特征在于：在步骤1中所采用的钛粉和铝钒粉的比例按照Ti6Al4V的配比标准进行混合，碳化钛粉的含量为2wt％-4wt％，二硼化钛粉的含量为4wt％-7wt％。
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