CN111299586A - 低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，基于步骤1)至步骤5)实现了钛基复合材料粉末一次近净成形构件的加工，且本成形方法工艺过程简单，无需借助价格昂贵的专用的致密化设备，大大降低了生产成本。同时，本成形方法，通过将真空封装有钛基复合材料粉末的容纳腔体加热到设定温度保温，快速置于锻造成形平台，直接对容纳腔体及钛基复合材料粉末进行锻压，短时保压，去除容纳腔后获得高致密度钛基复合材料近净成形构件，实现了一次成形加工，避免了现有技术中难变形钛基复合材料在热加工过程中组织不均匀和易开裂等问题，替代传统昂贵且过程复杂的多工步加工方法，进而保证本成形方法的加工效率和质量更高。

Description

低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料制备与加工领域，特别是涉及一种低成本的、且效率和加工质量更高的钛基复合材料构件的成形方法。

背景技术

在过去几十年间，高性能颗粒增强钛基复合材料已经成为一种新型的工程用轻型结构材料，广泛应用于航空、航天和兵器等工业领域。例如，耐高温钛基复合材料具有优异的高温强度、组织稳定性和蠕变性能，从而在航空、航天等热端应用领域具有举足轻重的作用。但是，该材料由于基体采用钛合金，热加工性能较差，且具有非常高的应变速率敏感性，其热加工窗口非常狭窄，在传统的锻造变形过程中极易产生断裂和加工不均匀现象。而且，在难加工钛合金基体上，原位自生了超硬质陶瓷颗粒增强体，使得复合材料具有高比强度和高比刚度的同时，后续可加工性变差，复合材料一体化构件难以实现近净成形加工。

粉末冶金成形一体化构件为难变形钛基复合材料构件成形提供了较好的机遇。但传统的粉末冶金法在致密化难变形钛合金构件时，都是通过专用的致密化设备，这些设备价格非常昂贵，比如现有技术中采用的热等静压与等温锻造、多向锻造、或热挤压相结合的方法。其中，热等静压方法是最重要的一个工序，能够保证材料或构件的最终性能。但是，热等静压方法的成本非常高，且在热等静压成形的过程中，粉末密封在一个预制容纳腔中，要经过抽真空、排气等多个工序，粉末在容纳腔中要加热到同一个温度并时刻保持着相同的气压，导致钛基复合材料构件一体化成形成本非常高且生产效率低下。另一方面，现有技术中利用热等静压与等温锻造等工序相结合的方法，会因二次成形导致在热加工时仍出现一定程度的开裂和加工不均匀现象。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的一个技术问题在于提供一种低成本的、且加工质量更高的钛基复合材料构件的粉末成形方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，包括以下步骤：

1)将钛基复合材料粉末置于容纳腔体中；

2)将所述容纳腔体抽真空后，进行密封；

3)将所述容纳腔体加热到设定温度；

4)将所述容纳腔体转移至锻压平台上，通过锻压机对所述容纳腔体进行锻压；

5)去除所述容纳腔体，获得钛基复合材料近净成形构件。

优选地，所述钛基复合材料粉末是通过电极感应气雾化法制备的。

优选地，所述钛基复合材料粉末为颗粒增强钛基复合材料，所述钛基复合材料粉末中的增强体为TiB、TiC、SiC、CNTs、RexOy其中的一种或多种的结合，所述钛基复合材料粉末的基体为纯钛、α钛合金、β钛合金或α+β两相钛合金。

优选地，所述钛基复合材料粉末中增强体的体积分数为0.1％～20％。

优选地，所述容纳腔体为钢制容纳腔体、钛制容纳腔体或钛基复合材料容纳腔体。

优选地，所述步骤2)中的容纳腔体抽真空后的真空度为1.0×10^-3Pa～1.0×10^{- 5}Pa。

优选地，所述步骤3)中将所述容纳腔体加热到0.6～0.8Tm，然后保温5～15min。

优选地，所述步骤4)还包括：在所述容纳腔体的外表面均匀涂覆用于减少锻压摩擦阻力的玻璃润滑剂或者高温石墨润滑剂。

优选地，所述步骤4)中锻压成形速度为2-12mm/s，并保压15-60s，且容纳腔体的变形量60％以上。

优选地，所述步骤5)中的容纳腔体通过机械加工的方法去除。

如上所述，本发明的低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，具有以下有益效果：

本成形方法，基于上述步骤1)至步骤5)实现了钛基复合材料近净成形构件的加工，且本成形方法工艺过程简单，且无需借助价格昂贵的专用的致密化设备，大大降低了生产成本。同时，本发明中的成形方法，通过将真空封装有钛基复合材料粉末的容纳腔体加热到设定温度，再利用锻压机对容纳腔体及钛基复合材料粉末进行锻压，从而获得钛基复合材料近净成形构件，实现了一次成形加工，避免了现有技术中利用热等静压与等温锻造相结合的二次热加工成形方法所导致开裂和加工不均匀的问题，进而保证本成形方法的效率和加工质量更高。

附图说明

图1显示为本发明的一种实施例的操作流程示意图；

图2显示为本发明的一种实施例中的钛基复合材料构件的低倍(1000×)微观组织形貌图；

图3显示为本发明的一种实施例中的钛基复合材料构件的高倍(5000×)微观组织形貌图；

图4显示为本发明的另一种实施例中的钛基复合材料构件的低倍(1000×)微观组织形貌图；

图5显示为本发明的另一种实施例中的钛基复合材料构件的高倍(5000×)微观组织形貌图。

附图标号说明

1 钛基复合材料粉末

2 容纳腔体

3 配套模具

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图1所示，本发明提供了一种低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，包括以下步骤：

1)将钛基复合材料粉末1置于容纳腔体2中；

2)将容纳腔体2抽真空后，进行密封；

3)将容纳腔体2加热到设定温度；

4)将容纳腔体2转移至锻压平台上，通过锻压机对容纳腔体2进行锻压；

5)去除容纳腔体2，获得钛基复合材料近净成形构件。

本成形方法，基于上述步骤1)至步骤5)实现了钛基复合材料近净成形构件的快速加工成形，且本成形方法工艺过程简单，无需借助价格昂贵的专用的致密化设备，大大降低了生产成本。同时，本发明中的成形方法，通过将真空封装有钛基复合材料粉末1的容纳腔体2加热到设定温度，再利用锻压机对容纳腔体2及钛基复合材料粉末1进行快速压制，从而获得钛基复合材料近净成形构件，实现了一次成形加工，避免了现有热加工技术过程中组织不均匀和易开裂等问题，替代传统昂贵且过程复杂的多工步加工方法，如热等静压与等温锻造、多向锻造、或热挤压相结合的方法，进而保证本成形方法的加工效率和质量更高。

在本发明一实施例中，钛基复合材料粉末1是通过电极感应气雾化法制备的，其形状为球形，直径为30μm～200μm，其增强相直接自生于制备后的粉末当中；相对于传统的钛合金粉末与增强体添加剂混合后制备的方法，采用电极感应气雾化法制备的粉末内部氧含量更低，降低了粉末在加热过程中被氧化的可能性。

在本发明一实施例中，钛基复合材料粉末1为颗粒增强钛基复合材料，钛基复合材料粉末1中的增强体为TiB、TiC、SiC、CNTs、RexOy其中的一种或多种的结合，钛基复合材料粉末1的基体为纯钛、α钛合金、β钛合金或α+β两相钛合金；钛基复合材料粉末1中的增强体的体积分数为0.1％～20％。

在本发明一实施例中，容纳腔体2为钢制容纳腔体2、钛制容纳腔体2或钛基复合材料容纳腔体2，更优选地，采用与封装于其中的粉末成分相同的钛基复合材料容纳腔体2；本实施例中的容纳腔体2可以根据需要通过先进3D打印技术预先制备成圆柱体、椭球体和长方体等多种形状，以适应构件的形状和锻压要求。

在本发明一实施例中，步骤2)中的容纳腔体2抽真空后的真空度为1.0×10^-3Pa～1.0×10^-5Pa，能够更好的防止粉末在高温下被氧化。

在本发明一实施例中步骤3)中将容纳腔体2加热到0.6～0.8Tm，然后保温5～15min，Tm是钛基复合材料粉末1的熔点，在此温度范围内，钛基复合材料粉末1通过锻压能够发生剧烈的塑形变形，有利于原始晶界的破碎和新晶界的生成，在极短的时间内实现构件的一体化成形。

为了减少与容纳腔体2之间的锻压摩擦阻力，从而实现钛基复合材料粉末1的均匀流动成形，在本发明一实施例中，步骤4)还包括：在容纳腔体2的外表面均匀涂覆用于减少锻压摩擦阻力的玻璃润滑剂或者高温石墨润滑剂。

在本发明一实施例中，步骤4)中的容纳腔体2在30s内转移至锻压平台上，保证钛基复合材料粉末1不会因转移时间过长而温度明显降低；具体的，将容纳腔体2放入配套模具3中三向均匀受压，通过锻压机和配套模具3对容纳腔体2和钛基复合材料粉末1进行快速锻压，锻压成形速度为2-12mm/s，并保压15-60s，且容纳腔体2的变形量60％以上，从而保证构件能够一次快速成形。

在本发明一实施例中，步骤5)中的容纳腔体2通过机械加工的方法去除，机械加工去除容纳腔体2的速度较快，同时能够保证构件的尺寸精度。

本发明主要是针对现有钛基复合材料加工成形难，构件研制成本高，周期长等困难，提供了一种低成本的、且加工质量更高的低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，该方法可以代替现有技术中的热等静压与等温锻造、多向锻造、或热挤压相结合的方法，利用普通的锻压机就可以实现钛基复合材料构件的一体化成形，是一种低成本、耗能少的新型技术，能够极大提高钛基复合材料构件的生产效率。在钛基复合材料构件的近净成形中具有非常大的应用潜力，能够进一步拓展钛基复合材料构件在航空航天等重要领域中的应用推广。

本发明的基本原理利用了粉末颗粒在高温下的剧烈塑性变形，变形量巨大，可以消除传统锻造后微观组织不均匀，晶粒尺寸粗大，增强体界面缺陷多等问题，不仅能够利用增强体细化微观组织，而且可以利用大塑性变形，在极短的时间内实现一体化构件成形，有利于原始晶界的破碎，实现基体组织的双重细化。

本发明可以实现多种类型钛基复合材料构件的制备，包括以近α钛合金为基体的耐热钛基复合材料构件、高强高模量钛基复合材料构件(增强体含量超过20％)以及高耐磨性钛基复合材料构件。

本发明的技术方案与国内外钛基复合材料粉末冶金制备技术相比较，其优点是：

(1)利用同质容纳腔体可以实现钛基复合材料构件的一次成形，而传统钛基复合材料构件的粉末冶金制备技术过程复杂，粉末经烧结之后，还需要经过锻造、挤压等多个工序，制造成本高昂。

(2)与现有技术中的热等静压与等温锻造、多向锻造、或热挤压相结合的方法相比较，本发明中的方法制备流程短，高温下变形速度快，不仅有利于细化材料增强体，而且能够破碎基体晶界，实现晶粒细化，制备出的钛基复合材料构件微观组织均匀、细小，力学性能优异。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，包括以下步骤：

1)通过电极感应气雾化法制备钛基复合材料粉末1，粉末形状为球形，粉末粒径30-100μm，其中的增强体为TiB，基体为纯钛，增强体的体积分数1.2％；

2)将步骤1)中制得的钛基复合材料粉末1置于容纳腔体2中，这里的容纳腔体2为纯钛制圆柱体容纳腔体2，对容纳腔体2抽真空至真空度为1.0×10^-3Pa～1×10^-5Pa，然后将其密封。

3)对容纳腔体2加热至950℃，到温后保温15min；

4)迅速将容纳腔体2转移至锻压平台上，转移时间在30s以内，然后在容纳腔体2外表面均匀涂抹玻璃润滑剂。先通过锻压机对容纳腔体2预制成形，变形量20％-30％，再进行直接锻压成形，锻压成形速度为12mm/s，保压时间60s，变形量为60％，取出锻压成形后的容纳腔体2，置于耐火砖上空冷至室温；

5)通过机械加工或者线切割去除容纳腔体2，获得钛基复合材料近净成形构件。

在FEI Nova 230场发射扫描电子显微镜上设置5kV电压和光斑尺寸为3.5mm，观察本实施例制得的钛基复合材料构件的微观组织形貌，如图2和图3所示，从图中可以看出纯钛基体中原位自生出长短不一的TiB颗粒增强体，增强体无序排列，分布均匀，TiB颗粒增强体平均长度小于5μm，基体晶粒细小，未出现明显的空洞缺陷，并且致密度较高。

实施例二

如图1所示，本实施例提供了一种低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，本实施例与实施例一的区别在于：步骤3)中对容纳腔体2加热至1200℃，到温后保温5min；步骤4)中的保压时间为30s。

本实施例制得的钛基复合材料构件的微观组织形貌，如图4和图5所示，与实施例一的区别在于，TiB颗粒增强体平均长度有明显长大，平均长度为10μm。

实施例三

如图1所示，本实施例提供了一种低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，本实施例与实施例二的区别在于：步骤1)中的增强体为TiB和TiC，基体为Ti6Al4V合金，增强体的体积分数5％。

实施例四

如图1所示，本实施例提供了一种低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，本实施例与实施例一的区别在于：本实施例中的钛基复合材料为耐高温钛基复合材料；步骤1)中的增强体为TiB和Re_xOy，基体为近α钛合金，增强体的体积分数5％；步骤2)中的容纳腔体2为近α钛合金制成的圆柱体容纳腔体2；步骤3)中对容纳腔体2加热至1250℃，到温后保温5min；步骤4)中的保压时间为30s。

实施例五

如图1所示，本实施提供了一种低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，本实施例与实施例三的区别在于：本实施例中的钛基复合材料为高耐磨钛基复合材料；步骤1)中的增强体的体积分数20％；步骤2)中的容纳腔体2为Ti6Al4V钛合金制成的圆柱体容纳腔体2；步骤3)中到温后保温15min。

综上所述，本发明实现了低成本的、且加工质量更高的钛基复合材料构件的粉末直接锻造成形，简化了现有技术中的难变形钛基复合材料加工工艺路线，替代了现有技术中的热等静压与等温锻造、多向锻造、或热挤压相结合的方法，制备的钛基复合材料构件微观组织均匀，增强体尺寸细小、分布均匀，且致密度极高，是一种低成本的、耗能少的新型工艺技术。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将钛基复合材料粉末置于容纳腔体中；

2)将所述容纳腔体抽真空后，进行密封；

3)将所述容纳腔体加热到设定温度；

4)将所述容纳腔体转移至锻压平台上，通过锻压机对所述容纳腔体进行锻压；

5)去除所述容纳腔体，获得钛基复合材料近净成形构件。

2.根据权利要求1所述的低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，其特征在于：所述钛基复合材料粉末是通过电极感应气雾化法制备的。

3.根据权利要求1所述的低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，其特征在于：所述钛基复合材料粉末为颗粒增强钛基复合材料，所述钛基复合材料粉末中的增强体为TiB、TiC、SiC、CNTs、RexOy其中的一种或多种的结合，所述钛基复合材料粉末的基体为纯钛、α钛合金、β钛合金或α+β两相钛合金。

4.根据权利要求1或3所述的低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，其特征在于：所述钛基复合材料粉末中增强体的体积分数为0.1％～20％。

5.根据权利要求1所述的低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，其特征在于：所述容纳腔体为钢制容纳腔体、钛制容纳腔体或钛基复合材料容纳腔体。

6.根据权利要求1所述的低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，其特征在于：所述步骤2)中的容纳腔体抽真空后的真空度为1.0×10^-3Pa～1.0×10^-5Pa。

7.根据权利要求1所述的低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，其特征在于：所述步骤3)中将所述容纳腔体加热到0.6～0.8Tm，然后保温5～15min。

8.根据权利要求1所述的低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，其特征在于，所述步骤4)还包括：在所述容纳腔体的外表面均匀涂覆用于减少锻压摩擦阻力的玻璃润滑剂或者高温石墨润滑剂。

9.根据权利要求1所述的低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，其特征在于：所述步骤4)中锻压成形速度为2-12mm/s，并保压15-60s，且容纳腔体的变形量60％以上。

10.根据权利要求1所述的低成本钛基复合材料构件粉末直接锻造成形方法，其特征在于：所述步骤5)中的容纳腔体通过机械加工的方法去除。

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