CN114058902A

CN114058902A - 一种高硬度钛基复合材料及其制备方法

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Publication number: CN114058902A
Application number: CN202111391176.0A
Authority: CN
Inventors: 辛超; 陈曦; 赵婧; 赵彬; 吴金平; 赵恒章; 潘晓龙
Original assignee: Xian Rare Metal Materials Research Institute Co Ltd
Current assignee: Xian Rare Metal Materials Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-11-23
Filing date: 2021-11-23
Publication date: 2022-02-18

Abstract

本发明公开了一种高硬度钛基复合材料，该钛基复合材料由以下质量百分数的成分组成：Al 4.5%~5.5%，Mo 5%~6%，V 3%~4%，Cr 1%~2%，Fe 1%~2%，TiC 3%~5%，余量为Ti及不可避免的杂质；通过Al、Cr、Fe和Mo的固溶处理强化作用，使得TiC颗粒与Ti基体有良好的应力分解与应变协调，起到了硬化的作用。本发明还提供了高硬度钛基复合材料的制备方法，将微米级TiC颗粒与原料进行非自耗真空电弧熔炼，然后依次进行均匀化、热轧、固溶和时效，得到了高硬度钛基复合材料，硬度可以达到50HRC以上，制备方法工艺简单，在航天、军工及民用等领域广泛应用，显著提高经济效益。

Description

一种高硬度钛基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于钛基复合材料技术领域，具体涉及一种高硬度钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

钛合金因其高的比强度、良好的机械性能、生物相容性以及耐腐蚀性能等而被广泛应用于航空航天、武器装备和医疗化工等领域。但随着科学技术的进步，人们对钛合金的性能提出了更高的要求，尤其体现在航空航天和武器装备领域，减重和轻量化的需求日益明显，用钛合金来替换钢和高温合金等成为了钛合金研发的重要方向。但钛合金与钢和高温合金相比，在硬度上存在明显的差距。现有的高强钛合金硬度通常低于45 HRC，如TB2、Ti-15333、Ti-55531等，而高强钢的硬度通常都大于50 HRC。这也极大地制约了用钛合金实现轻量化的目标。

现有的研究都主要集中在提高钛合金的屈服强度和抗拉强度，而关于高硬度钛合金的研究较少，一定程度上阻碍了我国航空航天、武器装备等工业的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高硬度钛基复合材料。该高硬度钛基复合材料通过Al，Mo，V，Cr，Fe，TiC和Ti组成，其中的Al和Mo起到固溶处理强化效果提高了基体合金的强度和硬度，Cr和Fe利于C原子的扩散，促进TiC颗粒的均匀性，使得TiC颗粒与Ti基体有良好的应力分解与应变协调，而且在界面能够形成大量的几何必须位错，起到了硬化的作用与效果，使本发明的钛基复合材料的硬度达到50HRC以上。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高硬度钛基复合材料，其特征在于，该钛基复合材料由以下质量百分数的成分组成：Al 4.5%~5.5%，Mo 5%~6%，V 3%~4%，Cr 1%~2%，Fe 1%~2%，TiC 3%~5%，余量为Ti及不可避免的杂质。

本发明的高硬度钛基复合材料中Al和Mo在Ti中有较大的固溶处理度，而且能够起到很好的固溶处理强化效果，提高了基体合金的强度和硬度，Cr和Fe的加入会有利于C原子的扩散，促进TiC颗粒的均匀性，如果Ti基体强度与TiC颗粒的硬度差异大，会导致应力屏蔽和应变不匹配，容易开裂，从而失去高硬度的特点，而正是由于Al、Cr、Fe和Mo的固溶处理强化作用，使得TiC颗粒与Ti基体有良好的应力分解与应变协调，而且在界面能够形成大量的几何必须位错，也起到了硬化的作用与效果。

上述的高硬度钛基复合材料，其特征在于，该钛基复合材料由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.5%~5.0 %，Mo 5.6%~6%，V 3%~3.5%，Cr 1.5%~2%，Fe 1.6%~2%，TiC 3.0%~4.0%，余量为Ti及不可避免的杂质。

另外，本发明提供了一种制备高硬度钛基复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将微米级TiC颗粒与海绵钛颗粒混合均匀后用铝箔密封包裹，得到合金包；

步骤二、将步骤一得到的合金包放置于非自耗真空电弧炉坩埚的底部，然后将Al-85V中间合金、Ti-32Mo中间合金、Ti-32Fe中间合金、电解铬和铝豆混合均匀后置于合金包上部，再进行非自耗真空电弧熔炼，得到铸锭；

步骤三、将步骤二中得到的铸锭进行均匀化处理，然后进行热轧处理，得到热轧铸锭；

步骤四、将步骤三中得到的热轧铸锭依次进行固溶处理和时效处理，得到高硬度钛基复合材料；所述高硬度钛基复合材料的硬度大于50HRC。

本发明制备的钛基复合材料选用微米级TiC颗粒，在高温环境中，即熔炼温度大于3140℃时，会发生如下原位反应：Ti₁C→Ti₁+C+Ti₂→Ti₂C+Ti₁，其中Ti₁为TiC颗粒中的Ti原子，Ti₂为海绵钛中的Ti原子，原位反应中首先是Ti₁C颗粒的分解，而由于C原子的半径较小，容易在Ti₂基体中扩散，提高其均匀性，而在凝固过程中，由于C原子在Ti₂中的溶解度随温度的降低而减少，从而原位析出Ti₂C颗粒，此时的原位生成的Ti₂C颗粒尺寸小于加入的Ti₁C颗粒尺寸，而且分布更为均匀；原位反应的发生能够细化和改善TiC颗粒的尺寸和形貌，将微米级的TiC颗粒，被细化为粒径100nm左右，增强TiC颗粒的均匀分布性，有效避免微米级颗粒的团簇现象，而且TiC颗粒的原位反应并不会改变基体合金的成分，有利于基体合金的组织稳定性；防止了只是单纯的添加TiC颗粒，其会有明显的团簇和分布不均匀的现象；

本发明中TiC颗粒与海绵钛需要用铝箔包裹，由于TiC颗粒尺寸较小，在真空非自耗电弧炉中容易被电弧冲散，抽真空的时候会被吸走，与海绵钛包裹在一起是为了缩短TiC颗粒与海绵钛的扩散距离，将合金包置于坩埚底部是因为原料的密度差异，在熔炼中，密度大的中间合金下沉，密度小的TiC颗粒与海绵钛上浮，也是为了充分的元素扩散，非自耗真空电弧熔炼中还会有磁力搅拌；均匀化处理的作用在于实现原位生成的TiC颗粒与钛合金基体的界面应力弛豫，以及合金元素的均匀化；热轧处理是为了细化晶粒，提高强韧性。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述微米级TiC颗粒的粒径为2μm~5μm。本发明通过控制TiC颗粒的粒径保证了最终钛基复合材料中TiC的粒径，提高了钛基复合材料的性能。

上述的方法，其特征在于，步骤三中所述均匀化处理的过程为：加热至1000℃~1200℃后保温9h~12h。本发明通过控制均匀化处理的参数，保证了钛基复合材料中的各成分分布均匀，防止了均匀化温度过高会加快氧化，导致材料脆化的不足，防止了温度过低不能实现原位生成的TiC颗粒与钛合金基体的界面应力弛豫，以及合金元素的均匀化的不足，防止了时间过短均匀化效果不好和时间过长发生氧化的不足。

上述的方法，其特征在于，步骤三中所述热轧处理的温度为900℃~1100℃，每道次变形量为8%~12%，累计变形量为80%~100%。本发明通过控制热轧处理的参数，细化钛基复合材料中的晶粒，提高了钛基复合材料的强韧性，防止了热轧处理温度过高会引发材料软化失稳，而且高温会导致晶粒长大的不足，防止了温度过低材料会开裂的不足，控制每道次变形量也是保证热轧处理过程中不会开裂，控制累计变形量达到均匀组织的效果。

上述的方法，其特征在于，步骤四中所述固溶处理处理的过程为：加热至热轧铸锭的β相变点温度以下30℃~50℃后保温1h~2h；所述时效处理的过程为：加热至500℃~530℃后保温3h~5h。本发明通过固溶处理处理和时效处理，使钛基复合材料获得再结晶组织，保证了钛基复合材料的显微组织更加均匀和细小，提升了钛基复合材料的性能，通过分别控制固溶处理时效处理的参数，保证了钛基复合材料获得最优的固溶处理时效处理效果，从而保证了固溶处理时效处理后的钛基复合材料具有优异的抗拉强度、屈服强度、耐蚀性能和冲击韧性，避免了温度过低导致的无法实现再结晶的不足，避免了温度过高超过钛合金相变温度导致的晶粒剧烈长大的不足，避免了保温时间过短导致的结晶不完全的不足，避免了保温时间过长导致的组织可能发生进一步的粗化的不足。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过Al，Mo，V，Cr，Fe，TiC和Ti组成了高硬度钛基复合材料，其中的Al和Mo起到固溶处理强化效果提高了基体合金的强度和硬度，Cr和Fe利于C原子的扩散，促进TiC颗粒的均匀性，使得TiC颗粒与Ti基体有良好的应力分解与应变协调，而且在界面能够形成大量的几何必须位错，起到了硬化的作用与效果，使本发明的钛基复合材料的硬度达到50HRC以上。

2、本发明在制备的钛基复合材料中选用微米级TiC颗粒，在高温环境发生原位反应，原位反应的发生能够细化和改善TiC颗粒的尺寸和形貌，增强TiC颗粒的均匀分布性，有效避免微米级颗粒的团簇现象，而且TiC颗粒的原位反应并不会改变基体合金的成分，有利于基体合金的组织稳定性。

3、本发明制备的钛基复合材料在添加微米级TiC颗粒时，将TiC颗粒与海绵钛进行混合并用铝箔进行密封包裹，这样能够实现熔炼过程中Ti原子的短程扩散，增加原位反应的活度，而且有利于TiC颗粒的弥散分布。

4、本发明制备的钛基复合材料是通过传统冶金熔炼的方式制备的，较多数钛基复合材料的制备方法相比，如粉末冶金等，工艺流程简单，成本低，而且可以利用传统钛合金熔炼制备的设备，成本显著降低。

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

具体实施方式

实施例1

本实施例的高硬度钛基复合材料由以下质量百分数的成分组成：Al 4.8%，Mo 6%，V 3%，Cr 1.5%，Fe 1.6%，TiC 3.3%，余量为Ti即不可避免的杂质。

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将微米级TiC颗粒与海绵钛颗粒混合均匀后用铝箔密封包裹，得到合金包；所述微米级TiC颗粒的粒径为2μm~5μm；

步骤二、将步骤一得到的合金包放置于非自耗真空电弧炉坩埚的底部，然后将Al-85V中间合金、Ti-32Mo中间合金、Ti-32Fe中间合金、电解铬和铝豆混合均匀后置于合金包上部，再进行6次非自耗真空电弧熔炼，得到铸锭；

步骤三、将步骤二中得到的铸锭进行均匀化处理，然后进行热轧处理，得到热轧铸锭；所述均匀化处理的过程为：加热至1100℃后保温10h；所述热轧处理的温度为1000℃，每道次变形量为10%，累计变形量为90%；

步骤四、将步骤三中得到的热轧铸锭依次进行固溶处理和时效处理，得到高硬度钛基复合材料；所述固溶处理处理的过程为：加热至热轧铸锭的β相变点温度以下40℃后保温1.5h；所述时效处理的过程为：加热至520℃后保温4h。

经检测，本实施例制备的高硬度钛基复合材料的洛氏硬度值达52HRC。

实施例2

本实施例的高硬度钛基复合材料由以下质量百分数的成分组成：Al 5.5%，Mo 5%，V 4%，Cr 1%，Fe 2%，TiC 5%，余量为Ti即不可避免的杂质。

本实施例包括以下步骤：

步骤二、将步骤一得到的合金包放置于非自耗真空电弧炉坩埚的底部，然后将Al-85V中间合金、Ti-32Mo中间合金、Ti-32Fe中间合金、电解铬和铝豆混合均匀后置于合金包上部，再进行7次非自耗真空电弧熔炼，得到铸锭；

步骤三、将步骤二中得到的铸锭进行均匀化处理，然后进行热轧处理，得到热轧铸锭；所述均匀化处理的过程为：加热至1000℃后保温12h；所述热轧处理的温度为900℃，每道次变形量为12%，累计变形量为100%；

步骤四、将步骤三中得到的热轧铸锭依次进行固溶处理和时效处理，得到高硬度钛基复合材料；所述固溶处理处理的过程为：加热至热轧铸锭的β相变点温度以下50℃后保温1h；所述时效处理的过程为：加热至500℃后保温5h。

实施例3

本实施例的高硬度钛基复合材料由以下质量百分数的成分组成：Al 4.5%，Mo5.6%，V 3.5%，Cr 2%，Fe 1%，TiC 4%，余量为Ti即不可避免的杂质。

本实施例包括以下步骤：

步骤二、将步骤一得到的合金包放置于非自耗真空电弧炉坩埚的底部，然后将Al-85V中间合金、Ti-32Mo中间合金、Ti-32Fe中间合金、电解铬和铝豆混合均匀后置于合金包上部，再进行8次非自耗真空电弧熔炼，得到铸锭；

步骤三、将步骤二中得到的铸锭进行均匀化处理，然后进行热轧处理，得到热轧铸锭；所述均匀化处理的过程为：加热至1200℃后保温9h；所述热轧处理的温度为1100℃，每道次变形量为8%，累计变形量为80%；

步骤四、将步骤三中得到的热轧铸锭依次进行固溶处理和时效处理，得到高硬度钛基复合材料；所述固溶处理处理的过程为：加热至热轧铸锭的β相变点温度以下30℃后保温2h；所述时效处理的过程为：加热至530℃后保温3h。

经检测，本实施例制备的高硬度钛基复合材料的洛氏硬度值达50HRC。

实施例4

本实施例的高硬度钛基复合材料由以下质量百分数的成分组成：Al 5%，Mo 5.8%，V 3.3%，Cr 1.8%，Fe 1.8%，TiC 3%，余量为Ti即不可避免的杂质。

本实施例包括以下步骤：

步骤三、将步骤二中得到的铸锭进行均匀化处理，然后进行热轧处理，得到热轧铸锭；所述均匀化处理的过程为：加热至1100℃后保温11h；所述热轧处理的温度为1000℃，每道次变形量为11%，累计变形量为95%；

步骤四、将步骤三中得到的热轧铸锭依次进行固溶处理和时效处理，得到高硬度钛基复合材料；所述固溶处理处理的过程为：加热至热轧铸锭的β相变点温度以下45℃后保温2h；所述时效处理的过程为：加热至510℃后保温4h。

经检测，本实施例制备的高硬度钛基复合材料的洛氏硬度值达51HRC。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种高硬度钛基复合材料，其特征在于，该钛基复合材料由以下质量百分数的成分组成：Al 4.5%~5.5%，Mo 5%~6%，V 3%~4%，Cr 1%~2%，Fe 1%~2%，TiC 3%~5%，余量为Ti及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高硬度钛基复合材料，其特征在于，该钛基复合材料由以下质量百分含量的成分组成：Al 4.5%~5.0%，Mo 5.6%~6%，V 3%~3.5%，Cr 1.5%~2%，Fe 1.6%~2%，TiC 3.0%~4.0%，余量为Ti及不可避免的杂质。

3.一种制备如权利要求1或权利要求2中所述的高硬度钛基复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中所述微米级TiC颗粒的粒径为2μm~5μm。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤三中所述均匀化处理的过程为：加热至1000℃~1200℃后保温9h~12h。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤三中所述热轧处理的温度为900℃~1100℃，每道次变形量为8%~12%，累计变形量为80%~100%。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤四中所述固溶处理处理的过程为：加热至热轧铸锭的β相变点温度以下30℃~50℃后保温1h~2h；所述时效处理的过程为：加热至500℃~530℃后保温3h~5h。