一種鈦基復合材料及其制備方法與流程

本發明屬于復合材料領域，尤其是涉及一種鈦合金-合金鋼復合材料及其制備方法。

背景技術：

鈦基復合材料(titaniummatrixcomposites，tmcs)在保持了鈦的優良性能的同時，又進一步提升了鈦的比強度、比模量、高溫性能以及耐磨性能。經過多年的發展，鈦基復合材料現已成為了在航空、航天領域應用較為廣泛的金屬基復合材料。根據增強體種類的不同，鈦基復合材料可分為連續纖維增強及非連續顆粒增強鈦基復合材料兩種。目前，相關研究大多數集中在非連續顆粒增強鈦基復合材料上，常見的是通過原位合成技術制備的tib/tic顆粒作為增強體鈦基復合材料。

鈦基復合材料一般選擇tib、tic、sic等陶瓷材料作為增強體，由于tib、tic、sic陶瓷增強體成本高，而且其制備難度較大，加工成本十分高昂，限制了鈦基復合材料的應用，并且在鈦基復合材料制備過程中，存在界面反應難以控制，成品率低的缺點。

目前粉末冶金鈦合金技術領域中，向鈦合金中添加少量鐵、鎳、鉬等合金元素對鈦合金性能進行改善，制備的合金材料屬于成分分布均勻的合金，不屬于鈦基復合材料的制備方法。有研究報道，將鈦板與鋼板通過爆炸焊接方法制備了鈦-鋼雙金屬復合板材。但該方法屬于一種不同類型金屬板材的焊接方法，所制備的材料不屬于微觀結構上的鈦基復合材料。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種鈦基復合材料，該鈦基復合材料包括基體相和增強相，該基體相為鈦或鈦合金，增強相為合金鋼，其中，增強相的質量分數為3％～50％。

本發明所述鈦基復合材料中基體相鈦合金具有力學性能好、抗腐蝕性好等優點，強化相合金鋼具有強度好、比模量高、高溫性能好、耐磨性能好等優點。本技術設計的復合材料基體相和強化相含量可根據需要在3％～50％范圍內調整，達到不同種類應用的需求。本技術制備的鈦基復合材料，通過壓制-燒結-真空熱處理可獲得顆粒增強復合材料，獲得的顆粒增強復合材料再經過熱鍛或旋鍛的方法熱加工-退火處理，可以獲得層片狀或纖維狀復合材料。

進一步的，所述鈦合金，其粉末原料為市售的鈦合金粉末，其中鈦元素的質量分數為85％以上。除鈦以外，還包括鋁元素和釩元素中的一種或兩種，鈦合金中添加的鋁、釩對鈦合金的力學性能有改善作用。

進一步的，所述合金鋼，其粉末原料為市售的合金鋼粉末，除鐵和碳以外，還包括鉻、釩、鎢和鉬元素中的一種或多種，其中鐵元素的質量分數為80％～95％。合金鋼中添加的鉻、釩、鎢和鉬對合金鋼的力學性能、耐磨性能有改善作用。該合金鋼在鈦基復合材料中的顯微結構為顆粒狀、層片狀或纖維狀。

為實現本發明的目的，提供一種所述鈦基復合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)、將粒徑小于45μm的鈦合金粉末與粒徑為45-200μm的合金鋼粉末混合均勻，混合粉料中合金鋼粉末的質量分數為3％～50％，將混合粉料經冷等靜壓壓制得到壓坯；

(2)、將步驟(1)所得壓坯進行真空燒結，得到燒結塊體；

(3)、將步驟(2)所得燒結塊體進行真空熱處理，得到真空熱處理塊體；

(4)、將步驟(3)所得真空熱處理塊體焊入不銹鋼包套中進行熱變形加工，得到熱加工塊體；

(5)、將步驟(4)所得熱加工塊體進行保溫后取出，退火并除去不銹鋼包套后，即得鈦基復合材料。

進一步的，所述步驟(1)中，冷等靜壓壓制得到壓坯具體是指：在室溫條件下，在100mpa～300mpa壓力下，冷等靜壓1～5分鐘，制備得到相對密度為60％以上的壓坯。

進一步的，所述步驟(2)中，真空燒結的溫度為1000℃～1300℃，真空度小于5×10^-3pa，保溫時間為0.5～4小時。通過真空燒結，可以獲得致密度較高、強度較高的燒結塊體。

進一步的，所述步驟(3)中，真空熱處理的處理溫度為900℃～1100℃，熱處理時間為1～4小時，真空度小于5×10^-3pa。通過真空熱處理，可以使鈦合金基體與增強相界面充分擴散粘接。

進一步的，所述步驟(4)中，熱變形加工具體是指：將焊入不銹鋼包套中的真空熱處理塊體在950℃～1050℃溫度條件下進行加熱，保溫0.5～1小時，然后進行鍛造或旋鍛，鍛造或旋鍛過程中控制塊體的變形量為75％～90％，制備得到相對密度為95％～100％的熱加工塊體。經熱變形加工可將增強相組織改變為層片狀或纖維狀結構，使復合材料在沿層片或纖維方向上獲得更好的力學性能。

進一步的，所述步驟(5)中，通過退火處理可以消除加工殘余應力，防止復合材料使用期間產生缺陷。進一步的，所述步驟(5)中，熱加工后的材料在馬弗爐中加熱到400℃～600℃下保溫0.5-1小時，空氣中自然冷卻得到退火合金塊體。

與現有技術相比，本發明的優點在于：

本發明采用鈦合金粉和合金鋼粉作為原材料，可有效降低產品成本。

本發明工藝采用的鈦合金基體和合金鋼增強體，在適當的真空熱處理條件下，能夠通過固相擴散形成良好的界面，從而避免傳統復合材料界面難以控制的問題。

本發明工藝采用現有的常規設備即可實現生產，可有效降低成本和設備投入，制備方法簡單，有利于實現工業化。

本發明首次運用粉末冶金方法制備了鈦基復合材料，其中鈦合金為基體相，合金鋼為增強相，采用本發明所述方法制備得到的鈦基復合材料，熱加工前具有顆粒狀的增強組織，顯微硬度達400hv～650hv。根據不同應用對材料的需求，材料經過熱鍛造制成具有層片狀的增強組織，顯微硬度達600～1200hv。經過旋鍛具有纖維狀的增強組織，抗拉強度可達到1360mpa，延伸率可達到9.3％。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為發明鈦基復合材料的制備方法的工藝流程圖。

圖2為本發明實施例1的鈦基復合材料的徑向截面金相微觀組織照片。

圖3為本發明實施例1的鈦基復合材料的軸向截面金相微觀組織照片。

圖4為本發明實施例2的鈦基復合材料的金相微觀組織照片。

圖5為本發明實施例3的鈦基復合材料的金相微觀組織照片。

具體實施方式

為了便于理解本發明，下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本文發明做更全面、細致地描述，但本發明的保護范圍并不限于以下具體實施例。

除非另有定義，下文中所使用的所有專業術語與本領域技術人員通常理解含義相同。本文中所使用的專業術語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發明的保護范圍。

除非另有特別說明，本發明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設備等均可通過市場購買得到或者可通過現有方法制備得到。

實施例1：

本實施例的鈦基復合材料，包括基體相和增強相，所述基體相為鈦合金，所述增強相為合金鋼，其中，增強相的質量分數為8％。

本發明鈦基復合材料的制備方法的工藝流程如圖1所示，包括如下步驟：

(1)按合金鋼質量分數為8％，將平均粒徑為24μm的鈦合金粉末、平均粒徑為74μm的m2-hss(購自赫格納斯，hoganas，china)合金鋼粉末混合均勻，在200mpa條件下，冷等靜壓2分鐘制備得到相對密度為70％的壓坯；

(2)將步驟(1)得到的壓坯進行真空燒結，真空燒結溫度為1000℃，真空度小于5×10^-3pa，保溫時間為2小時，得到燒結塊體；

(3)將步驟(2)得到的燒結塊體在真空電阻爐中進行真空熱處理，真空熱處理溫度為1000℃，熱處理時間為2小時，真空度小于5×10^-3pa，保溫得到真空熱處理塊體；

(4)將步驟(3)得到的真空熱處理塊體焊入不銹鋼包套中，在1000℃溫度條件下保溫1小時后，采用旋鍛工藝進行熱變形加工，將復合材料的相對密度提高至97％，得到熱加工塊體；

(5)將步驟(4)得到的塊體取出，在在馬弗爐中加熱到550℃保溫1小時后，在空氣中自然冷卻后并除去不銹鋼包套后得到本實施例的鈦基復合材料。

本實施例的鈦基復合材料的金相微觀組織照片如圖2、圖3所示，為纖維狀增強顯微組織。采用室溫拉伸性能測試本實施例的鈦基復合材料的拉伸性能為1360mpa，延伸率為9.3％。

實施例2：

本發明鈦基復合材料及其制備方法的一種實施例。該鈦基復合材料包括基體相和增強相，該基體相為鈦合金，增強相為合金鋼。其中，增強相的質量分數為30％。

本發明鈦基復合材料的制備方法的工藝流程如圖1所示，包括如下步驟：

(1)按合金鋼質量分數為30％，將平均粒徑為24μm的鈦合金粉末、平均粒徑為74μm的m2-hss合金鋼粉末混合均勻，在200mpa條件下，冷等靜壓2分鐘制得到制備得到相對密度為80％的壓坯；

(2)將步驟(1)得到的壓坯進行真空燒結，真空燒結溫度為1000℃，真空度小于5×10^-3pa，保溫時間為2小時，得到燒結塊體；

(3)將步驟(2)得到的燒結塊體在真空電阻爐中進行真空熱處理，真空熱處理溫度為1000℃，熱處理時間為4小時，真空度小于5×10^-3pa，保溫得到真空熱處理塊體；

(4)將步驟(3)得到的真空熱處理塊體焊入不銹鋼包套中，在1000℃溫度條件下保溫1小時后，采用熱鍛工藝進行熱變形加工，將復合材料的相對密度提高至95％，得到熱加工塊體；

(5)將步驟(4)得到的塊體取出，在馬弗爐中加熱到550℃保溫1小時后，在空氣中自然冷卻后并除去不銹鋼包套后得到本實施例的鈦基復合材料。

本實施例的鈦基復合材料的金相微觀組織照片如圖4所示，為層片狀增強顯微組織。采用顯微硬度測試本實施例的鈦基復合材料的顯微硬度為700～1200hv。

實施例3：

本發明鈦基復合材料及其制備方法的一種實施例。該鈦基復合材料包括基體相和增強相，該基體相為鈦合金，增強相為合金鋼。其中，增強相的質量分數為5％。

本發明鈦基復合材料的制備方法的工藝流程如圖1所示，包括如下步驟：

(1)按合金鋼質量分數為8％，將平均粒徑為24μm的鈦合金粉末、平均粒徑為74μm的m2-hss合金鋼粉末混合均勻，在200mpa條件下，冷等靜壓2分鐘制得到制備得到相對密度為85％的壓坯；

(2)將步驟(1)得到的壓坯進行真空燒結，真空燒結溫度為1000℃，真空度小于5×10^-3pa，保溫時間為2小時，得到燒結塊體；

(3)將步驟(2)得到的燒結塊體在真空電阻爐中進行真空熱處理，真空熱處理溫度為1000℃，熱處理時間為2小時，真空度小于5×10^-3pa，保溫得到真空熱處理塊體；

本實施例的鈦基復合材料的金相微觀組織照片如圖5所示，為顆粒增強顯微組織。采用顯微硬度測試本實施例的鈦基復合材料的顯微硬度為400～450hv。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。