一種TiC顆粒增強(qiáng)Ti-Mo-Hf復(fù)合材料及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種TiC顆粒增強(qiáng)Ti-Mo-Hf復(fù)合材料及制備方法，屬鈦基復(fù)合材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明所述復(fù)合材料由TiC顆粒和Ti-Mo-Hf基體合金組成，所述TiC顆粒占基體合金體積的（3-6）%，所述TiC顆粒的粒度為3-5μm。本發(fā)明按設(shè)計的復(fù)合材料組分配比，分別取Mo2C粉末、HfC粉末、氫化脫氫鈦粉混合后，機(jī)械分散均勻，壓制成型，先以90-110℃/h的速度升溫到600-800℃進(jìn)行真空燒結(jié)2-4小時，然后，以190-210℃/h的速度升溫到1200-1400℃進(jìn)行真空燒結(jié)1-2小時，隨爐冷卻，得到TiC顆粒增強(qiáng)Ti-Mo-Hf復(fù)合材料。本發(fā)明制備工藝流程短、設(shè)備投入少、制造成本低，所制備的復(fù)合材料具有優(yōu)異耐磨性能和合理的彈性模量具有優(yōu)異的成型性能，適于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
【專利說明】—種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料及其制備方法，特別涉及一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料及制備方法，屬鈦基復(fù)合材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金由于其高的強(qiáng)度、韌性以及良好的工藝成型性而被廣泛用于人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工脊椎等醫(yī)用材料，在臨床上有廣泛的需求。美國專利5954724 ((TitaniumMolybdenum Hafnium Alloys For Medical Implants And Devices》開發(fā)了 T1-7Mo_7Hf生物醫(yī)用鈦合金用于人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工脊椎等植入體，但是實(shí)驗(yàn)表明T1-7Mo-7Hf雖然具有與人工骨相近的彈性模量，生物相容性好，但是其耐磨性能較差，植入體需要進(jìn)行多次更換，給臨床使用帶來很大的困難。TiC顆粒的硬度、熔點(diǎn)、比強(qiáng)度和比剛度高以及化學(xué)穩(wěn)定性好，特別是TiC顆粒與鈦基體匹配性能好以及在基體中很難形成反應(yīng)層，因此可作為顆粒增強(qiáng)相添加到鈦合金中制備鈦基復(fù)合材料來提高基體的耐磨性能以及高溫力學(xué)性能。但是目前尚無研究開發(fā)TiC顆粒增強(qiáng)T1-7Mo-7Hf基體復(fù)合材料的公開報道。
[0003]由于Hf的熔點(diǎn)為2233°C，Mo的熔點(diǎn)2610°C，Ti的熔點(diǎn)為1678°C基體合金熔點(diǎn)相差較大，采用熔鑄方法制備T1-7Mo-7Hf合金就需要進(jìn)行多次中間合金的熔煉才使得成分均勻，在熔鑄過程中，采用外加法向T1-7Mo-7Hf合金中添加TiC顆粒或者采用原位法添加碳元素，材料的制備難度非常大，并且工藝控制難度大，生產(chǎn)成本高。 [0004]如果采用傳統(tǒng)的粉末冶金方法制備鈦基復(fù)合材料，可能的工藝路徑有:
[0005]Ti粉，Mo粉，Hf粉等元素粉以及TiC顆粒充分混合后壓制燒結(jié)，但是Mo和Hf的熔點(diǎn)高，燒結(jié)難度很大；如果采用T1-Mo-Hf預(yù)合金粉和TiC顆粒充分混合后壓制燒結(jié)，則一方面，T1-Mo-Hf預(yù)合金粉的制備成本高，另一方面，由于TiC顆粒屬于采用外加法進(jìn)行添加，TiC顆粒表面容易被污染，從而造成界面性能變差影響復(fù)合材料的綜合性能。
[0006]中國專利200910311943《一種顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料及制備方法》，其目的在于提升鈦合金的力學(xué)性能，采用其制備方法，可以得到TiC顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，但由于其制備工藝的局限，導(dǎo)致其得到的TiC顆粒尺寸較大，對顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的耐磨性能存在不利因素。因此，直接采用中國專利200910311943公開的方法制備生物醫(yī)用TiC顆粒增強(qiáng)T1-7Mo-7Hf復(fù)合材料，并不能克服T1-7Mo-7Hf耐磨性能較差的缺陷。
[0007]上述分析表明，現(xiàn)有工藝方法對于制備TiC顆粒增強(qiáng)T1-7Mo_7Hf基體復(fù)合材料均存在不利因素。有必要開發(fā)相關(guān)工藝制備TiC顆粒增強(qiáng)T1-7Mo-7Hf基體復(fù)合材料。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種較T1-7Mo_7Hf鈦合金耐磨性能明顯提升，彈性模量相近的TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料。
[0009]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種工藝流程短，設(shè)備投入少，成本低的TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料的制備方法。[0010]本發(fā)明一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包括基體合金和增強(qiáng)相，所述基體合金為T1-Mo-Hf合金，增強(qiáng)相為TiC顆粒，且TiC顆粒占基體合金體積的3%-6%，優(yōu)選為3.7%-4.7%，所述基體合金由下述組分按質(zhì)量百分比組成:
[0011 ] Μο4.9-9%,優(yōu)選為 6-7% ；
[0012]Hf4.9-9%,優(yōu)選為 6-7% ；
[0013]余量為Ti。
[0014]本發(fā)明一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料，所述TiC顆粒的粒度為3_5 μ m。
[0015]本發(fā)明一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料的制備方法，包括下述步驟:
[0016]按設(shè)計的復(fù)合材料組分配比，分別取Mo2C粉末、HfC粉末、氫化脫氫鈦粉混合均勻后，壓制成型，先以90-110°C /h的速度升溫到600-800°C進(jìn)行真空燒結(jié)2-4小時，然后，以190-2100C /h的速度升溫到1200-1400°C進(jìn)行真空燒結(jié)1_2小時，隨爐冷卻，得到TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料。
[0017]本發(fā)明一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料的制備方法，所述Mo2C粉末與HfC粉末的粒度均為8-10微米，氫化脫氫鈦粉的粒度為-100目。
[0018]本發(fā)明一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料的制備方法，將按比例配制的粉末采用V型混料機(jī)或球磨機(jī)混合均勻。
[0019]本發(fā)明一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料的制備方法，所述壓制成型采用冷等靜壓成型或模壓成型，成型壓力為150-300MPa。
[0020]本發(fā)明一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料的制備方法，所述真空燒結(jié)的真空度為 1.0X IO^3Pa-L OX IO^2Pa0
[0021]原理及優(yōu)勢
[0022]本發(fā)明由于嚴(yán)格限制基體合金中鑰、鉿的含量以及TiC顆粒的生成數(shù)量，使得T1-Mo-Hf合金的彈性模量適中、生物相容性好、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)與TiC耐磨的優(yōu)點(diǎn)完美結(jié)合，由于TiC的體積僅占基體合金體積的3%-6%，因而對彈性模量的提升較少，這就繼承了T1-Mo-Hf合金的彈性模量適中的優(yōu)點(diǎn)，使得本發(fā)明所述的復(fù)合材料能夠很好的應(yīng)用于生物醫(yī)用領(lǐng)域或其他領(lǐng)域。
[0023]本發(fā)明嚴(yán)格控原料粉末的粒度，通過機(jī)械混料最大程度上保證了 Mo2C和HfC粉末在在鈦粉中的均勻分布，確保了 C、Mo、Hf等元素在混料初期就分布相對均勻；然后采用兩段燒結(jié)的制備方法，通過控制低溫階段的加熱速度、保溫溫度、保溫時間，一方面，合理的加熱速度使得預(yù)成型坯體殘存空氣以及水汽在升溫階段就基本得到排除，這也避免了預(yù)成型坯體的變形以及預(yù)成型坯體內(nèi)大孔隙的出現(xiàn)，有利于提高最終產(chǎn)品的致密度，另一方面，合理的加熱速度、保溫溫度、保溫時間確保了碳元素在鈦中擴(kuò)散均勻并有足夠的時間與鈦結(jié)合，由于Mo和Hf等金屬元素原子半徑大，擴(kuò)散難度大，而碳元素得半徑較小，這就保證了在600-800°C優(yōu)先原位均勻析出微米級的TiC顆粒，在此過程中，溫度過高和/或處理時間過長則會帶來顆粒過于粗大不利影響，溫度過低和/或處理時間過短則會帶來燒結(jié)反應(yīng)不充分的不利影響；由于Mo和Hf等金屬元素原子半徑大，擴(kuò)散難度大，因此，原位析出TiC顆粒后，再以較快的升溫速度加熱至到1200-1400°C，進(jìn)行燒結(jié)，既有利于抑制碳化物的長大又可以有效的促進(jìn)Mo、Hf元素的均勻擴(kuò)散，同時還能保證TiC顆粒在合金基體中呈細(xì)小彌散均勻分布，這就進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)致密。由于所制備的復(fù)合材料的基體為T1-Mo-Hf合金，增強(qiáng)相為細(xì)小彌散原位生成的高硬度TiC顆粒，而T1-Mo-Hf合金對細(xì)小彌散原位生成的TiC顆粒有很強(qiáng)的持能力，所以復(fù)合材料的耐磨性能高。
[0024]與傳統(tǒng)β型生物醫(yī)用鈦合金的制備工藝相比，本發(fā)明工藝流程短，設(shè)備投入少，成本更低。與T1-Mo-Hf鈦合金相比，本發(fā)明所制備的復(fù)合材料的耐磨性能有明顯提升，而彈性模量的提升較少，提升后的彈性模量更接近人體骨骼的彈性模量(約為lOOGpa)。[0025]綜上所述，本發(fā)明工藝流程短，設(shè)備投入少，制造成本低，制備的TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料中，TiC顆粒粒度能夠控制在微米級，具有優(yōu)異耐磨性能，彈性模量與現(xiàn)有T1-Mo-Hf鈦合金相近，具有優(yōu)異的成型性能，能夠根據(jù)需要模鍛得到所需要的人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工脊椎等生物醫(yī)用產(chǎn)品，可作為生物醫(yī)用鈦基復(fù)合材料的使用，適于工業(yè)化應(yīng)用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]附圖1為實(shí)施例1所制備的復(fù)合材料的XRD圖；
[0027]附圖2為實(shí)施例1所制備的復(fù)合材料的掃描電鏡圖；
[0028]從圖1中可以看出所制備的復(fù)合材料由TiC增強(qiáng)相、a -T1-M0-Hf相、β -T1-Mo-Hf相組成。
[0029]從圖2中可以看出所制備的復(fù)合材料中，TiC顆粒的尺寸在3-5 μ m左右。
【具體實(shí)施方式】
[0030]實(shí)施例和對比例中采用萬能拉伸機(jī)測試材料的彈性模量，抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，延伸率，采用微摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)球-盤式模塊測試材料的磨損性能，鈦基復(fù)合材料做為下試樣盤,對偶上試樣為陶瓷球，以相同磨損條件下磨損量的倒數(shù)表示材料的耐磨性，以對比例鈦合金的耐磨性能為1，其它復(fù)合材料耐磨性能與其做對比得到相對耐磨性。
[0031]實(shí)施例1
[0032]制備TiC增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料lOKg，其中TiC顆粒占T1-Mo-Hf體積的4.5% ;采用XRD檢測其組成，如圖1所示，采用掃描電鏡觀察可以看到TiC顆粒粒度大小在3-5 μ m，如圖2所示；
[0033]稱取0.71Kg粒度為8微米的Mo2C粉末，0.71Kg粒度為8微米的HfC粉末，8.58Kg粒度為-100目的氫化脫氫鈦粉，將粉末充分混合均勻，將混合粉末進(jìn)行冷等靜壓成型，成型壓力為150MPa ;將壓制坯體先以90/h的速度升溫到600°C進(jìn)行真空燒結(jié)2小時，然后，以1900C /h的速度升溫到1200°C進(jìn)行真空燒結(jié)I小時，隨爐冷卻，得到TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料；真空燒結(jié)時，控制爐內(nèi)真空度為1.0X10_3Pa。將得到的復(fù)合材料鍛造后，檢測其力學(xué)性能和耐磨性能，具體檢測值見表1，鍛造時，控制鍛造溫度為ΙΟΟΟ?，壓下量為50%。
[0034]實(shí)施例2
[0035]制備TiC增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料lOKg，其中TiC顆粒占復(fù)合材料總體積的3% ；
[0036]稱取0.5Kg粒度為9微米的Mo2C粉末，0.5Kg粒度為9微米的HfC粉末，9Kg粒度為-100目的氫化脫氫鈦粉，將粉末充分混合均勻，將混合粉末進(jìn)行冷等靜壓成型，;將壓制坯體先以100°c /h的速度升溫到650°C進(jìn)行真空燒結(jié)3小時，然后，以200°C /h的速度升溫到1300°C進(jìn)行真空燒結(jié)1.5小時，隨爐冷卻，得到TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料。真空燒結(jié)時，控制爐內(nèi)真空度為5.0X10_3Pa。將得到的復(fù)合材料鍛造后，檢測其力學(xué)性能和耐磨性能，具體檢測值見表1，鍛造時，控制鍛造溫度為1000°C，壓下量為50%。
[0037]實(shí)施例3
[0038]制備TiC增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料lOKg，其中TiC顆粒占復(fù)合材料總體積的6% ；
[0039]稱取0.9Kg粒度為10微米的Mo2C粉末，0.9Kg粒度為10微米的HfC粉末，8.2Kg粒度為-100目的氫化脫氫鈦粉，將粉末充分混合均勻，將混合粉末進(jìn)行冷等靜壓成型，;將壓制坯體先以110°C /h的速度升溫到800°C進(jìn)行真空燒結(jié)4小時，然后，以210°C /h的速度升溫到1400°C進(jìn)行真空燒結(jié)2小時，隨爐冷卻，得到TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料。真空燒結(jié)時，控制爐內(nèi)真空度為1.0X10_2Pa。將得到的復(fù)合材料鍛造后，檢測其力學(xué)性能和耐磨性能，具體檢測值見表1，鍛造時，控制鍛造溫度為1000°C，壓下量為50%。
[0040]對比例I
[0041]采用美國專利5954724的制備方法，制備T1-Mo-Hf復(fù)合材料lOKg，將得到的復(fù)合材料鍛造后，檢測其力學(xué)性能和耐磨性能，具體檢測值見表1，鍛造時，控制鍛造溫度為1000°C，壓下量為50%。
[0042]表1
【權(quán)利要求】
1.一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包括基體合金和增強(qiáng)相，所述基體合金為T1-Mo-Hf合金，增強(qiáng)相為TiC顆粒，且TiC顆粒占基體合金體積的3%-6%，所述基體合金由下述組分按質(zhì)量百分比組成:
Mo4.9_9% ；
Hf4.9-9% ； 余量為Ti。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料，其特征在于:所述復(fù)合材料包括基體合金和增強(qiáng)相，所述基體合金為T1-Mo-Hf合金，增強(qiáng)相為TiC顆粒，且TiC顆粒占基體合金體積的3.7%-4.7%，所述基體合金由下述組分按質(zhì)量百分比組成:
Mo6_7% ； Hf6-7% ;余量為 Ti。
3.根據(jù)權(quán)利 要求1或2所述的一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料，其特征在于:所述TiC顆粒的粒度為3-5 u m。
4.一種制備如權(quán)利要求3所述的一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料的方法，包括下述步驟: 按設(shè)計的復(fù)合材料組分配比，分別取Mo2C粉末、HfC粉末、氫化脫氫鈦粉混合均勻后，壓制成型，先以90-110°C /h的速度升溫到600-800°C進(jìn)行真空燒結(jié)2_4小時，然后，以190-2100C /h的速度升溫到1200-1400°C進(jìn)行真空燒結(jié)1_2小時，隨爐冷卻，得到TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述Mo2C粉末與HfC粉末的粒度均為8-10微米，氫化脫氫鈦粉的粒度為-100目。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述壓制成型采用冷等靜壓成型或模壓成型，成型壓力為150-300MPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種TiC顆粒增強(qiáng)T1-Mo-Hf復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述真空燒結(jié)的真空度為1.0X 10_3Pa-l.0X 10_2Pa。
【文檔編號】C22C32/00GK103526074SQ201310441637
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】劉延斌, 劉詠, 趙中偉 申請人:中南大學(xué)