一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法
2023-06-11 23:45:46
一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法
【專利摘要】一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法。本發明涉及一種鈦基複合材料的製備方法，具體涉及一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法。本發明是為了解決現有鈦基複合材料製備成本高的問題。方法：將鈦粉與TiB2粉末混合均勻，然後用鋁箔將混合後的粉末包製成合金包，再將合金包、海綿鈦和元素添加劑一起裝入真空感應電爐的水冷銅坩堝中並使合金包被其他物料所包裹，然後通電進行熔煉得到熔煉液，再熔煉液澆注成型，凝固後得到原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料。
【專利說明】一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種鈦基複合材料的製備方法，具體涉及一種原位自生TiB晶須增強 鈦基複合材料的製備方法。
【背景技術】
[0002] 鈦合金具有良好的機械性能、耐蝕性、生物相容性，因此在航空工業、化學工業、運 動器材及醫療領域得到了廣泛的應用。然而鈦合金的耐磨性和高溫性能差，這限制了它在 許多工業部門（特別是在航空發動機等高溫結構件領域）的潛在應用。為了提高鈦合金的 性能，具有高強度和高剛度的陶瓷增強相被引入鈦合金中用於製備複合材料。鈦基複合材 料通常具有高比剛度、高比強度、較低的熱膨脹係數及高的耐磨性能。除了常溫性能，高溫 應用時鈦基複合材料還具有高的強度、抗蠕變性能以及熱穩定性，因此近些年受到了材料 工作者的關注。
[0003] TiB晶須與鈦及鈦合金在熱力學上相容性較好，密度和泊松比與鈦相近，且熱膨脹 係數與鈦相差在50%以內，而楊氏模量比鈦高5倍。因此TiB是最常用的顆粒增強相。目 前用於生成TiB晶須的硼源是純硼粉，即一般通過純硼粉與鈦原位反應生成，如申請號為 201110118962. 3公開的一種TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法即是利用純硼粉與鈦 反應生成TiB晶須。雖然純硼粉是有效的製備鈦基複合材料的硼源，但是純硼粉的價格高， 這增加了鈦基複合材料的成本，限制了鈦基複合材料的工業化應用。鈦基複合材料的成本 主要由兩部分構成：一是純鈦及合金元素的成本；二是鈦基複合材料製備成本（利用熔鑄 法製備時主要是熔煉成本）。由於熔煉製備成本相對固定，而鈦基複合材料中增強相TiB晶 須可以通過鈦與不同化合物反應原位生成。因此，為了降低鈦基複合材料的成本，有必要開 發新的有效硼源替代純硼粉，從而降低鈦基複合材料的成本。
【發明內容】
[0004] 本發明是為了解決現有鈦基複合材料製備成本高的問題，而提供一種原位自生 TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法。
[0005] 本發明的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法按以下步驟進行：
[0006] -、稱取海綿鈦、鈦粉、TiB2粉末和元素添加劑；所述的鈦粉和海綿鈦的質量比為 1 : (3?50);所述的海綿鈦和元素添加劑的質量比為分別為7 : (0. 5?2);所述的鈦粉和 TiB2粉末的質量比為（2?10) :1 ;所述的TiB2粉末的粒度為300?1000目；所述的鈦粉 的粒度為5?400目；
[0007] 二、將步驟一稱取的鈦粉與TiB2粉末混合均勻，然後用鋁箔將混合後的粉末包 製成合金包，再將合金包、海綿鈦和元素添加劑一起裝入真空感應電爐的水冷銅坩堝中並 使合金包被其他物料所包裹，在真空度為l(T 2Pa?10_3Pa和電磁攪拌頻率為7000Hz? 11000Hz的條件下通電進行熔煉，熔煉電流為500A?900A，熔煉時間為lOmin?30min，得 到熔煉液；
[0008] 三、將步驟二得到的熔煉液澆注成型，凝固後得到原位自生TiB晶須增強鈦基復 合材料。
[0009] 本發明的有益效果：
[0010] 本發明採用了新的反應體系，即Ti+TiB2 -2TiB替代原有的鈦-硼粉反應體系，即 Ti+B - TiB，由於在鈦合金熔體中TiB2不能穩定的存在，反應Ti+TiB2 - 2TiB具有負的自 由能，因此從熱力學角度來看，TiB2替代純硼粉生成TiB晶須是可行的。本發明的TiB 2可 完全轉化為TiB晶須。相對於純硼粉，TiB2成本低廉，利用TiB2替代純硼粉可以顯著降低 複合材料的成本，成本降低了 20%-30%，另外，此工藝TiB晶須通過原位自生的方式生成， TiB晶須與基體界面結合良好，不存在界面反應層。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 圖1為試驗一的TiB晶須增強的Ti-6A1-4V基複合材料的XRD譜圖；其中?為Ti， ▲為 TiB。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0012] 一：本實施方式的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備 方法按以下步驟進行：
[0013] 一、稱取海綿鈦、鈦粉、TiB2粉末和元素添加劑；所述的鈦粉和海綿鈦的質量比為 1 : (3?50);所述的海綿鈦和元素添加劑的質量比為分別為7 : (0. 5?2);所述的鈦粉和 TiB2粉末的質量比為（2?10) :1 ;所述的TiB2粉末的粒度為300?1000目；所述的鈦粉 的粒度為5?400目；
[0014] 二、將步驟一稱取的鈦粉與TiB2粉末混合均勻，然後用鋁箔將混合後的粉末包 製成合金包，再將合金包、海綿鈦和元素添加劑一起裝入真空感應電爐的水冷銅坩堝中並 使合金包被其他物料所包裹，在真空度為l(T 2Pa?10_3Pa和電磁攪拌頻率為7000Hz? 11000Hz的條件下通電進行熔煉，熔煉電流為500A?900A，熔煉時間為lOmin?30min，得 到熔煉液；
[0015] 三、將步驟二得到的熔煉液澆注成型，凝固後得到原位自生TiB晶須增強鈦基復 合材料。
[0016] 本實施方式採用了新的反應體系，即Ti+TiB2 - 2TiB替代原有的鈦-硼粉反應體 系，即Ti+B - TiB，由於在鈦合金熔體中TiB2不能穩定的存在，反應Ti+TiB2 - 2TiB具有負 的自由能，因此從熱力學角度來看，TiB2替代純硼粉生成TiB晶須是可行的。本發明的TiB 2 可完全轉化為TiB晶須。相對於純硼粉，TiB2成本低廉，利用TiB2替代純硼粉可以顯著降 低複合材料的成本，成本降低了 20 %-30 %，另外，此工藝TiB晶須通過原位自生的方式生 成，TiB晶須與基體界面結合良好，不存在界面反應層。
【具體實施方式】 [0017] 二：本實施方式與一不同的是：步驟一中所述的元素 添加劑為釩、鑰、鉻、錫、鋯、鎳、鐵、鈮、鎢和矽的單質或合金中的一種或其中幾種按任意比 組成的混合物。其他步驟及參數與一相同。
【具體實施方式】 [0018] 三：本實施方式與一或二不同的是：步驟一中所述的 鈦粉和海綿鈦的質量比為1 : (10?40)。其他步驟及參數與一或二相同。
【具體實施方式】 [0019] 四：本實施方式與一至三之一不同的是：步驟一中所 述的鈦粉和海綿鈦的質量比為1 : (20?30)。其他步驟及參數與一至三之一 相同。
【具體實施方式】 [0020] 五：本實施方式與一至四之一不同的是：步驟一中所 述的鈦粉和海綿鈦的質量比為1 :25。其他步驟及參數與一至四之一相同。
【具體實施方式】 [0021] 六：本實施方式與一至五之一不同的是：步驟一中所 述的鈦粉和118 2粉末的質量比為（5?8) :1。其他步驟及參數與一至五之一 相同。
【具體實施方式】 [0022] 七：本實施方式與一至六之一不同的是：步驟一中所 述的鈦粉和118 2粉末的質量比為（6?7) :1。其他步驟及參數與一至六之一 相同。
【具體實施方式】 [0023] 八：本實施方式與一至七之一不同的是：步驟二中所 述的電磁攪拌頻率為10000Hz。其他步驟及參數與一至七之一相同。
【具體實施方式】 [0024] 九：本實施方式與一至八之一不同的是：步驟二中所 述的熔煉電流為700A。其他步驟及參數與一至八之一相同。
【具體實施方式】 [0025] 十：本實施方式與一至九之一不同的是：步驟二中所 述的熔煉時間為20min。其他步驟及參數與一至九之一相同。
[0026] 用以下試驗驗證本發明的有益效果：
[0027] 試驗一、本試驗的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法按以下步 驟進行：
[0028] 一、稱取14092g海綿鈦、308g鈦粉、154gTiB2粉末、853g釩鋁中間合金和747g鋁 錠；所述的TiB 2粉末的粒度為600目；鈦粉的粒度為5目；
[0029] 二、將步驟一稱取的鈦粉與TiB2粉末混合均勻，然後用鋁箔將混合後的粉末包製 成合金包，再將合金包、海綿鈦、釩鋁中間合金和鋁錠一起裝入真空感應電爐的水冷銅坩堝 中並使合金包被其他物料所包裹，在真空度為l(T 3Pa和電磁攪拌頻率為10000Hz的條件下 通電進行熔煉，熔煉電流為700A，熔煉時間為20min，得到熔煉液；
[0030] 三、將步驟二得到的熔煉液澆注成型，凝固後得到TiB晶須增強的Ti-6A1-4V基復 合材料，即原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料。
[0031] 本試驗得到的TiB晶須增強的Ti-6A1-4V基複合材料中TiB的體積分數為1. 5%。
[0032] 試驗二、本試驗的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法按以下步 驟進行：
[0033] 一、稱取13376g海綿鈦、1024g鈦粉、512gTiB2粉末、853g釩鋁中間合金和747g鋁 錠；所述的TiB 2粉末的粒度為600目；鈦粉的粒度為5目；
[0034] 二、將步驟一稱取的鈦粉與TiB2粉末混合均勻，然後用鋁箔將混合後的粉末包製 成合金包，再將合金包、海綿鈦、釩鋁中間合金和鋁錠一起裝入真空感應電爐的水冷銅坩堝 中並使合金包被其他物料所包裹，在真空度為l(T 3Pa和電磁攪拌頻率為10000Hz的條件下 通電進行熔煉，熔煉電流為700A，熔煉時間為20min，得到熔煉液；
[0035] 三、將步驟二得到的熔煉液澆注成型，凝固後得到TiB晶須增強的Ti-6A1_4V基復 合材料，即原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料。
[0036] 本試驗得到的TiB晶須增強的Ti-6A1_4V基複合材料中TiB的體積分數為5%。
[0037] 試驗三、本試驗的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法按以下步 驟進行：
[0038] 一、稱取12352g海綿鈦、2048g鈦粉、1024gTiB2粉末、853g釩鋁中間合金和747g 鋁錠；所述的TiB2粉末的粒度為600目；鈦粉的粒度為5目；
[0039] 二、將步驟一稱取的鈦粉與TiB2粉末混合均勻，然後用鋁箔將混合後的粉末包製 成合金包，再將合金包、海綿鈦、釩鋁中間合金和鋁錠一起裝入真空感應電爐的水冷銅坩堝 中並使合金包被其他物料所包裹，在真空度為l(T 3Pa和電磁攪拌頻率為10000Hz?的條件 下通電進行熔煉，熔煉電流為700A，熔煉時間為20min，得到熔煉液；
[0040] 三、將步驟二得到的熔煉液澆注成型，凝固後得到TiB晶須增強的Ti-6A1-4V基復 合材料，即原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料。
[0041] 本試驗得到的TiB晶須增強的Ti-6A1-4V基複合材料中TiB的體積分數為10%。
[0042] 試驗四、本試驗的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法按以下步 驟進行：
[0043] 一、稱取11328g海綿鈦、3072g鈦粉、1536gTiB2粉末、853g釩鋁中間合金和747g 鋁錠；所述的TiB2粉末的粒度為600目；鈦粉的粒度為5目；
[0044] 二、將步驟一稱取的鈦粉與TiB2粉末混合均勻，然後用鋁箔將混合後的粉末包製 成合金包，再將合金包、海綿鈦、釩鋁中間合金和鋁錠一起裝入真空感應電爐的水冷銅坩堝 中並使合金包被其他物料所包裹，在真空度為l(T 3Pa和電磁攪拌頻率為10000Hz的條件下 通電進行熔煉，熔煉電流為700A，熔煉時間為20min，得到熔煉液；
[0045] 三、將步驟二得到的熔煉液澆注成型，凝固後得到TiB晶須增強的Ti-6A1_4V基復 合材料，即原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料。
[0046] 本試驗得到的TiB晶須增強的Ti-6A1_4V基複合材料中TiB的體積分數為15%。
[0047] (一）採用型號為Rigaku D/Max-RB的X射線衍射儀對試驗一的TiB晶須增強的 Ti-6A1-4V基複合材料進行檢測，得到如圖1所示的XRD譜圖，從圖中可以看到TiB2已經全 部轉化為TiB晶須。
【權利要求】
1. 一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法，其特徵在於一種原位自生 TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法按以下步驟進行： 一、 稱取海綿欽、欽粉、TiB2粉末和兀素添加劑；所述的欽粉和海綿欽的質量比為1 : (3?50);所述的海綿鈦和元素添加劑的質量比為分別為7 :(0.5?2);所述的鈦粉和TiB2 粉末的質量比為（2?10) :1 ;所述的TiB2粉末的粒度為300?1000目；所述的鈦粉的粒 度為5?400目； 二、 將步驟一稱取的鈦粉與TiB2粉末混合均勻，然後用鋁箔將混合後的粉末包製成合 金包，再將合金包、海綿鈦和元素添加劑一起裝入真空感應電爐的水冷銅坩堝中並使合金 包被其他物料所包裹，在真空度為l(T 2Pa?10_3Pa和電磁攪拌頻率為7000Hz?11000Hz的 條件下通電進行熔煉，熔煉電流為500A?900A，熔煉時間為lOmin?30min，得到熔煉液； 三、 將步驟二得到的熔煉液澆注成型，凝固後得到原位自生TiB晶須增強鈦基複合材 料。
2. 根據權利要求1所述的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法，其特 徵在於步驟一中所述的元素添加劑為釩、鑰、鉻、錫、鋯、鎳、鐵、鈮、鎢和矽的單質或合金中 的一種或其中幾種按任意比組成的混合物。
3. 根據權利要求1所述的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法，其特 徵在於步驟一中所述的鈦粉和海綿鈦的質量比為1 : (10?40)。
4. 根據權利要求1所述的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法，其特 徵在於步驟一中所述的鈦粉和海綿鈦的質量比為1 : (20?30)。
5. 根據權利要求1所述的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法，其特 徵在於步驟一中所述的鈦粉和海綿鈦的質量比為1 :25。
6. 根據權利要求1所述的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法，其特 徵在於步驟一中所述的鈦粉和！182粉末的質量比為（5?8) :1。
7. 根據權利要求1所述的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法，其特 徵在於步驟一中所述的鈦粉和！182粉末的質量比為（6?7) :1。
8. 根據權利要求1所述的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法，其特 徵在於步驟二中所述的電磁攪拌頻率為為10000Hz。
9. 根據權利要求1所述的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法，其特 徵在於步驟二中所述的熔煉電流為700A。
10. 根據權利要求1所述的一種原位自生TiB晶須增強鈦基複合材料的製備方法，其特 徵在於步驟二中所述的熔煉時間為20min。
【文檔編號】C22C1/02GK104195361SQ201410513344
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月29日 優先權日:2014年9月29日
【發明者】陳玉勇, 黃立國, 孔凡濤, 王曉鵬, 肖樹龍, 徐麗娟, 王德軍, 吳東星 申請人:哈爾濱工業大學, 齊齊哈爾市精鑄良裝備製造有限公司