CN103233137B - 一种原位SiC颗粒增强Ti6Al4V的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位SiC颗粒增强Ti6Al4V的制备方法，它的步骤如下：（1）将Si粉和C粉放入高能研磨设备中进行机械合金化，研磨8-48小时，Si粉与C粉的质量比为2-3:1，然后加入SiO2粉，SiO2粉的加入量为Si粉和C粉总质量的5-20%，继续研磨4-10小时得到混合料；（2）将钛粉、母合金粉和混合料均匀混合，钛粉的加入量为钛粉和母合金粉总质量的80-95%，母合金粉的加入量为钛粉和母合金粉总质量的5-20%，混合料的的加入量为钛粉和母合金粉总质量的5-40%，模压成型，制成坯料；（3）将坯料在真空烧结炉中进行两阶段烧结，在700-900℃烧结0.5-3小时，然后升温至1300-1500℃，在氩气氛中烧结0.5-3小时。该方法所得复合材料增强相原位生成，界面连接紧密、强度提高、适合工业规模。

Description

一种原位SiC颗粒增强Ti6Al4V的制备方法
技术领域
本发明涉及SiC-Ti6Al4V新的制备技术，提高强度的技术领域。
背景技术
Ti6Al4V具有比强度高、热强性好、耐蚀及生物相容性好等优点，被成功用于航空航天、石油化工、生物医疗等领域，但其耐磨性差以及易发生粘着的缺点，限制了它的应用，因而发展SiC增强复合材料是必要的选择。
用铸造和锻造技术制备的Ti6Al4V 合金件已被成功地应用在高技术领域，如军用和商业飞机的机身结构件。但是，用锻造和铸造方法生产钛合金，由于工艺复杂、成材率低、产品成本高以及后续加工困难，阻碍了其更为广泛的应用。粉末冶金钛合金研究始于20世纪50 年代。最早采用预合金法(Pre-alloying, PA)制备钛合金，但是生产成本对于民用领域仍显昂贵，使其应用受到制约。20 世纪80 年代后期，混合元素法(Blending elements, BE)制备钛合金得到较快的发展。
目前SiC纤维增强钛基复合材料由于具有较高的比强度和比刚度，在600-1000℃时能够保持较好的疲劳和蠕变性能，成为航空材料的研究热点。但该复合材料在成型和高温使用过程中，纤维和基体之间容易发生界面反应，会对力学性能造成严重影响。其次，钛合金基体和SiC纤维的热膨胀系数相差很大，复合材料界面将会产生很大的残余热应力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有SiC-Ti6Al4V容易出现晶界弱连接、复合材料强度降低等现象而进行的原位SiC增强Ti6Al4V复合材料。使用钛粉、母合金粉、适量的机械合金化的Si粉和C粉、适量的SiO2粉，模压、真空烧结，获得原位SiC增强钛合金。可连续生产，适用于工业规模。
一种原位SiC颗粒增强Ti6Al4V的制备方法，它的步骤如下：（1）将Si粉和C粉放入高能研磨设备中进行机械合金化，研磨8-48小时，Si粉与C粉的质量比为2-3:1，然后加入SiO2粉，SiO2粉的加入量为Si粉和C粉总质量的5-20%，继续研磨4-10小时得到混合料；（2）将钛粉、母合金粉60Al40V和步骤（1）中的混合料均匀混合，钛粉的加入量为钛粉和母合金粉总质量的80-95%，母合金粉的加入量为钛粉和母合金粉总质量的5-20%，混合料的的加入量为钛粉和母合金粉总质量的5-40%，模压成型，制成坯料；（3）将步骤（2）中的坯料在真空烧结炉中进行两阶段烧结，在700-900℃烧结0.5-3小时，然后升温至1300-1500℃，在氩气氛中烧结0.5-3小时。
所述步骤（1）中的Si粉、C粉、SiO2粉的目数为300-500目。
所述步骤（2）中的钛粉、母合金粉的目数为300-500目。
所述步骤（2）中混合料的的加入量为钛粉和母合金粉总质量的20-30%。
所述步骤（3）中真空烧结炉底部铺有Si粉，Si粉的质量为坯料质量的3-8 %。
通过在Ti6Al4V 基体中原位生成SiC颗粒增强相，可以完全消除界面的弱连接，消除残余应力，获得抗压强度达到22-35MPa钛基复合材料。先使C粉和Si粉机械合金化，然后加入SiO2继续高能研磨，以上混合粉料加入钛粉和母合金粉混合均匀后模压成型，真空两段烧结后获得较高抗压强度性能的颗粒增强钛合金。该方法所得复合材料增强相原位生成，界面连接紧密、强度提高、适合工业规模。
具体实施方式
实施例1
一种原位SiC颗粒增强Ti6Al4V的制备方法，它的步骤如下：（1）将Si粉和C粉放入高能研磨设备中进行机械合金化，研磨48小时，Si粉与C粉的质量比为2:1，然后加入SiO2粉，SiO2粉的加入量为Si粉和C粉总质量的20%，继续研磨10小时得到混合料；（2）将钛粉、母合金粉和步骤（1）中的混合料均匀混合，钛粉的加入量为钛粉和母合金粉总质量的95%，母合金粉的加入量为钛粉和母合金粉总质量的5%，混合料的的加入量为钛粉和母合金粉总质量的5%，模压成型，制成坯料；（3）将步骤（2）中的坯料在真空烧结炉中进行两阶段烧结，在700℃烧结0.5小时，然后升温至1300℃，在氩气氛中烧结0.5小时。测试试样抗压强度达到23MPa。
实施例2
一种原位SiC颗粒增强Ti6Al4V的制备方法，它的步骤如下：（1）将Si粉和C粉放入高能研磨设备中进行机械合金化，研磨8小时，Si粉与C粉的质量比为3:1，然后加入SiO2粉，SiO2粉的加入量为Si粉和C粉总质量的5%，继续研磨10小时得到混合料；（2）将钛粉、母合金粉和步骤（1）中的混合料均匀混合，钛粉的加入量为钛粉和母合金粉总质量的80%，母合金粉的加入量为钛粉和母合金粉总质量的15%，混合料的的加入量为钛粉和母合金粉总质量的20%，模压成型，制成坯料；（3）将步骤（2）中的坯料在真空烧结炉中进行两阶段烧结，在800℃烧结0.5-3小时，然后升温至1400℃，在氩气氛中烧结2小时。测试试样抗压强度达到25MPa。
实施例3
一种原位SiC颗粒增强Ti6Al4V的制备方法，它的步骤如下：（1）将Si粉和C粉放入高能研磨设备中进行机械合金化，研磨30小时，Si粉与C粉的质量比为2.5:1，然后加入SiO2粉，SiO2粉的加入量为Si粉和C粉总质量的15%，继续研磨8小时得到混合料；（2）将钛粉、母合金粉和步骤（1）中的混合料均匀混合，钛粉的加入量为钛粉和母合金粉总质量的90%，母合金粉的加入量为钛粉和母合金粉总质量的10%，混合料的的加入量为钛粉和母合金粉总质量的30%，模压成型，制成坯料；（3）将步骤（2）中的坯料在真空烧结炉中进行两阶段烧结，在800℃烧结2小时，然后升温至1400℃，在氩气氛中烧结2小时。测试试样抗压强度达到24MPa。
实施例4
一种原位SiC颗粒增强Ti6Al4V的制备方法，它的步骤如下：（1）将Si粉和C粉放入高能研磨设备中进行机械合金化，研磨35小时，Si粉与C粉的质量比为3:1，然后加入SiO2粉，SiO2粉的加入量为Si粉和C粉总质量的15%，继续研磨6小时得到混合料；（2）将钛粉、母合金粉和步骤（1）中的混合料均匀混合，钛粉的加入量为钛粉和母合金粉总质量的85%，母合金粉的加入量为钛粉和母合金粉总质量的20%，混合料的的加入量为钛粉和母合金粉总质量的20%，模压成型，制成坯料；（3）将步骤（2）中的坯料在真空烧结炉中进行两阶段烧结，在900℃烧结2小时，然后升温至1500℃，在氩气氛中烧结1小时。
实施例5
将5g钛粉、1g母合金粉均匀混合；Si粉和C粉高能研磨40小时，加入二氧化硅粉末继续研磨4小时，取出称取1.6g，并和钛合金粉均匀混合。以上混合料压制成5×5×40mm的坯料，移至铺有少量硅粉的真空烧结炉中于900℃保温1小时，然后升温至1350℃通入氩气保温1.5小时。测试试样抗压强度达到22MPa。
实施例6
将5g钛粉、1g母合金粉均匀混合；Si粉和C粉高能研磨40小时，加入二氧化硅粉末继续研磨4小时，取出称取2g，并和钛合金粉均匀混合。以上混合料压制成5×5×40mm的坯料，移至铺有少量硅粉的真空烧结炉中于800℃保温1小时，然后升温至1400℃通入氩气保温1.0小时。测试试样抗压强度达到25MPa。
上述实施例中，步骤（1）中的Si粉、C粉、SiO2粉的目数为300-500目，步骤（2）中的钛粉、母合金粉的目数为300-500目，步骤（2）中混合料的的加入量为钛粉和母合金粉总质量的20-30%，步骤（3）中真空烧结炉底部铺有Si粉，Si粉的质量为坯料质量的3-8 %。

Claims (5)

1.一种原位SiC颗粒增强Ti6Al4V的制备方法，其特征在于，它的步骤如下：（1）将Si粉和C粉放入高能研磨设备中进行机械合金化，研磨8-48小时，Si粉与C粉的质量比为2-3:1，然后加入SiO2粉，SiO2粉的加入量为Si粉和C粉总质量的5-20%，继续研磨4-10小时得到混合料；
（2）将钛粉、母合金粉60Al40V和步骤（1）中的混合料均匀混合，钛粉的加入量为钛粉和母合金粉总质量的80-95%，母合金粉的加入量为钛粉和母合金粉总质量的5-20%，混合料的的加入量为钛粉和母合金粉总质量的5-40%，模压成型，制成坯料；
（3）将步骤（2）中的坯料在真空烧结炉中进行两阶段烧结，在700-900℃烧结0.5-3小时，然后升温至1300-1500℃，在氩气氛中烧结0.5-3小时。
2.根据权利要求1所述的原位SiC颗粒增强Ti6Al4V的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的Si粉、C粉、SiO2粉的目数为300-500目。
3.根据权利要求1所述的原位SiC颗粒增强Ti6Al4V的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的钛粉、母合金粉的目数为300-500目。
4.根据权利要求1所述的原位SiC颗粒增强Ti6Al4V的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中混合料的的加入量为钛粉和母合金粉总质量的20-30%。
5.根据权利要求1所述的原位SiC颗粒增强Ti6Al4V的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中真空烧结炉底部铺有Si粉，Si粉的质量为坯料质量的3-8 %。
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