專利名稱：一種多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種粉末冶金鈦基復合材料，具體說涉及一種多相顆粒增強的粉末冶 金鈦基復合材料，本發(fā)明還涉及該材料的制備方法。
背景技術(shù)：
顆粒增強鈦基復合材料因具有高的比強度、比模量及高的耐磨性能，在航空航天、 先進武器系統(tǒng)以及汽車發(fā)動機等領(lǐng)域具有廣泛的應用。但由于復合材料強度高，變形抗力 大，使其加工苦難，從而限制了顆粒增強鈦基復合材料的應用。粉末冶金技術(shù)是一種近成型技術(shù)，避免熔鑄法生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的組織、成份偏析， 晶粒粗大的問題，并且顆粒增強相的粒度和體積分數(shù)可以在較大的范圍內(nèi)調(diào)整。但因鈦的 活性高、粉末表面易于形成氧化膜，阻礙其燒結(jié)致密化，使粉末冶金顆粒增強鈦基復合材料 的發(fā)展與應用受到了限制。原位合成工藝是獲得顆粒增強鈦基復合材料的一種方法，這種方法制備的復合材 料，避免了在顆粒相內(nèi)部產(chǎn)生空洞和裂紋，更有利于保證材料的性能。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，于蘭蘭等人在《稀有金屬快報》，2006，25 (4) 1-5, 撰文“顆粒增強鈦基復合材料研究新進展”，該文介紹了日本Toyota公司自1998年以來采 用粉末冶金技術(shù)制備了原位顆粒生成的TiB顆粒增強的鈦基復合材料，并已在汽車發(fā)動機 上得到應用。但是該復合材料采用的是單一的TiB顆粒增強體，因此獲得的復合材料性能 單一，綜合性能差，限制了其應用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是提供一種增強體種類多、分布更加均勻、增 強體與基體界面結(jié)合更好、綜合性能更為優(yōu)異的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料。本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是提供一種上述的復合材料的制備方法，具有 工藝簡單，所生產(chǎn)出的鈦基復合材料具有較高的致密度，產(chǎn)品質(zhì)量綜合性能優(yōu)良。為了解決上述第一個技術(shù)問題，本發(fā)明提供的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合 材料，由組份及重量百分比為B4C 20%，SiC 20%，合金化元素0% 11%，其 余為鈦的粉末材料通過真空熱壓燒結(jié)生成多相增強體顆粒，所述的多相增強體顆粒包括硼 化鈦(TiB或TiB2)、碳化鈦(TiC)、硅化鈦(Ti5Si3)、鈦硅碳(Ti3SiC2)中的三種或三種以上。所述的B4C與SiC必須同時添加，以獲得不同比例的多相顆粒增強體。所述的合金化元素是所有鈦合金化元素的一種或幾種。所述的硼化鈦為TiB或TiB2。為了解決上述第二個技術(shù)問題，本發(fā)明提供的制備多相顆粒增強的粉末冶金鈦基 復合材料的方法為按照按照B4C 20%，SiC 1 % 20%，合金化元素0% 11 %，其余為鈦的重 量百分比稱取鈦粉、碳化硼粉、碳化硅粉、合金化元素粉，采用V型機或球磨機混合方法將原料粉末混合均勻，在300 600MPa的壓力下，將混合均勻的粉末通過模壓成型工藝壓制 成具有一定形狀的(如圓柱形、長方體形等形狀，但形狀沒有特殊要求)生坯，將生坯放入 真空熱壓燒結(jié)爐中在1250 1650°C進行燒結(jié)2 8h，真空度為IX ICT1MPa IXliT3MPa, 所施加的機械壓力為5 25Mpa，隨爐冷卻后得硼化鈦、碳化鈦、硅化鈦、鈦硅碳多相顆粒的 粉末冶金鈦基復合材料。本發(fā)明的 具體的制備工藝包括如下步驟步驟一按照B4C 20%，SiC 1 % 20%，合金化元素0% 11 %，其余為鈦 的重量百分比稱取鈦粉、碳化硼粉、碳化硅粉、合金化元素粉；步驟二 采用V型機或球磨機將步驟一稱取的粉末混合均勻；步驟三在300MPa 500MPa的壓力下，將混合均勻的粉末采用成型方法壓制成具 有預定外形的生坯；步驟四將預制好的生坯在真空度為1 X IO-1MPa 1 X KT3MPa下、溫度為1250 1650°C、燒結(jié)時間為2 8h、所施加的機械壓力為5 25MPa的真空熱壓燒結(jié)爐中燒結(jié)， 得到彌散分布的含硼化鈦、碳化鈦、硅化鈦、鈦硅碳等多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材 料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在不改變傳統(tǒng)的粉末冶金制備工藝和設(shè)備的情況下，用 真空熱壓燒結(jié)方法，提高燒結(jié)鈦基復合材料的致密度，降低燒結(jié)鈦基復合材料中的孔隙數(shù) 量。通過同時添加不同比例的碳化硼粉與碳化硅粉，原位反應生成體積分數(shù)不同的彌散分 布的硼化鈦、碳化鈦、硅化鈦、鈦硅碳等多相顆粒，進一步提高燒結(jié)鈦基復合材料的力學性 能，從而得到綜合性能較為優(yōu)良的粉末冶金鈦基復合材料。燒結(jié)體合金的抗壓強度達到 2100MPa，致密度達到99. 8%。本工藝的優(yōu)勢在于通過同時添加不同比例的碳化硼粉與碳化硅粉，并采用真空熱 壓燒結(jié)的粉末冶金工藝，獲得高致密及綜合性能優(yōu)良的原位自生多相顆粒增強的粉末冶金 鈦基復合材料產(chǎn)品，滿足實際工業(yè)生產(chǎn)的要求。本發(fā)明原位反應得到含硼化鈦(TiB或TiB2)、碳化鈦(TiC)、硅化鈦(Ti5Si3)、鈦硅 碳(Ti3SiC2)等多相顆粒增強的鈦基復合材料，將傳統(tǒng)的粉末冶金方法與原位反應技術(shù)相 結(jié)合起來，利用鈦粉、碳化硼、碳化硅以及合金化元素粉之間的反應，簡單快捷、低成本的制 備出增強體種類多(三種或三種以上)、分布更加均勻、增強體與基體界面結(jié)合更好、綜合 性能更為優(yōu)異的復合材料構(gòu)件，適用于航空航天、先進武器系統(tǒng)及汽車工業(yè)等需要的構(gòu)件， 該方法可工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以下本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進 行實施，給出了詳細的實施方式和具體操作過程。對比實施例1 制備成分為Ti-5Al-4Mo_4V(質(zhì)量分數(shù)，下同)的粉末冶金鈦合金。所用原料 為-100目鈦粉、-300目鋁粉、-200目鉬粉、-150目A1-58V中間合金粉。按照合金配比稱 取原料粉末，原料粉粉末在球磨機上球磨混合均勻，然后在300MPa的壓力下模壓成生坯， 將生坯放入真空燒結(jié)爐中進行高溫燒結(jié)，真空度控制為lX10_3MPa，燒結(jié)溫度為1250°C，燒結(jié)時間6h。所得的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料的抗壓縮強度為1210MPa，排水 法測試得到燒結(jié)體的致密度為91%。結(jié)合本發(fā)明的方法提供以下實施例實施例1 制備成多相顆粒增強的(TiB2+TiC+Ti3SiC2)/Ti復合材料，原材料采用鈦粉、碳化 硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比Ti B4C SiC = 98 1 1稱取原料粉末。原料粉粉 末在球磨機上球磨混合均勻，然后在300MPa的壓力下模壓成生坯，將生坯放入真空熱壓燒 結(jié)爐中進行高溫燒結(jié)，真空度控制為IX KT1MPa,燒結(jié)溫度為1350°C，燒結(jié)時間8h，所施加 的壓力為5MPa。所得的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料的抗壓縮強度為1950MPa， 排水法測試得到燒結(jié)體的致密度為98. 5%。實施例2 制備成多相顆粒增強的(TiB2+TiC+Ti5Si3)/Ti復合材料，原材料采用鈦粉、碳化硼 粉及碳化硅粉，按照重量百分比Ti B4C SiC = 89 10 1稱取原料粉末。原料粉粉 末在球磨機上球磨混合均勻，然后在450MPa的壓力下模壓成生坯，將生坯放入真空熱壓燒 結(jié)爐中進行高溫燒結(jié)，真空度控制為lX10_2MPa，燒結(jié)溫度為1450°C，燒結(jié)時間2h，所施加 的壓力為15MPa。所得的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料的抗壓縮強度為1820MPa， 排水法測試得到燒結(jié)體的致密度為99. 3%。實施例3 制備成多相顆粒增強的(TiB2+TiC+Ti3SiC2+Ti5Si3)/Ti復合材料，原材料采用鈦 粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比Ti B4C SiC = 89 1 10稱取原料粉末。 原料粉粉末在球磨機上球磨混合均勻，然后在600MPa的壓力下模壓成生坯，將生坯放入真 空熱壓燒結(jié)爐中進行高溫燒結(jié)，真空度控制為lX10_3MPa，燒結(jié)溫度為1650，燒結(jié)時間8h， 所施加的壓力為15MPa。所得的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料的抗壓縮強度為 2010MPa，排水法測試得到燒結(jié)體的致密度為99. 7%。實施例4 制備成多相顆粒增強的(TiB+TiB2+TiC+Ti3SiC2+Ti5Si3)/Ti-5Al-4Mo-4V 復合 材料，原材料采用鈦粉、鋁粉、鉬粉、鋁釩合金粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比 (Ti-5Al-4Mo-4V) B4C SiC = 79 20 1稱取原料粉末。原料粉粉末在球磨機上球 磨混合均勻，然后在300MPa的壓力下模壓成生坯，將生坯放入真空熱壓燒結(jié)爐中進行高溫 燒結(jié)，真空度控制為IX KT1MPa,燒結(jié)溫度為1350，燒結(jié)時間4h，所施加的壓力為25MPa。所 得的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料的抗壓縮強度為2050MPa，排水法測試得到燒 結(jié)體的致密度為99.6%。實施例5 制備成多相顆粒增強的(TiB2+TiC+Ti3SiC2+Ti5Si3)/Ti-5Al-4Mo-4V-2.5Ta 復合材 料，原材料采用鈦粉、鋁粉、鉬粉、鋁釩合金粉、鉭粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比 (Ti-5Al-4Mo-4V-5Ta) B4C SiC = 75 5 20稱取原料粉末。原料粉粉末在V型機 上混合均勻，然后在450MPa的壓力下模壓成生坯，將生坯放入真空熱壓燒結(jié)爐中進行高溫 燒結(jié)，真空度控制為IX 10_3MPa，燒結(jié)溫度為1450，燒結(jié)時間4h，所施加的壓力為5MPa。所 得的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料的抗壓縮強度為1965MPa，排水法測試得到燒結(jié)體的致密度為99. 2%。實施例6 制備成多相增強體顆粒增強的(TiB+TiB2+TiC+Ti3SiC2+Ti5Si3)/ Ti-5Al-4Mo-4V-2Nb復合材料，原材料采用鈦粉、鋁粉、鉬粉、鋁釩合金粉、鈮粉、碳化硼粉及 碳化硅粉，按照重量百分比(Ti-5Al-4Mo-4V-2Nb) B4C SiC = 80 10 10稱取原料 粉末。原料粉粉末在V型機上混合均勻，然后在600MPa的壓力下模壓成生坯，將生坯放入 真空熱壓燒結(jié)爐中 進行高溫燒結(jié)，真空度控制為lX10_3MPa，燒結(jié)溫度為1250°C，燒結(jié)時間 8h，所施加的壓力為25MPa。所得的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料的抗壓縮強度為 2103MPa，排水法測試得到燒結(jié)體的致密度為99. 7%。實施例7 制備成多相顆粒增強的(TiB+TiB2+TiC+Ti3SiC2+Ti5Si3)/Ti-5Al-4Mo-4V-5Ag復合 材料，原材料采用鈦粉、鋁粉、鉬粉、鋁釩合金粉、鈮粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分 比(Ti-5Al-4Mo-4V-5Ag) B4C SiC = 80 10 10稱取原料粉末。原料粉粉末在V型 機上混合均勻，然后在600MPa的壓力下模壓成生坯，將生坯放入真空熱壓燒結(jié)爐中進行高 溫燒結(jié)，真空度控制為lX10_3MPa，燒結(jié)溫度為1650，燒結(jié)時間2h，所施加的壓力為25MPa。 所得的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料的抗壓縮強度為2015MPa，排水法測試得到 燒結(jié)體的致密度為99.9%。實施例8 制備成多相顆粒增強的(TiB2+TiC+Ti3SiC2)/Ti-5Al_4V復合材料，原材料采用鈦 粉、鋁粉、鋁釩合金粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比(Ti-5A1-4V) B4C SiC = 80 10 10稱取原料粉末。原料粉粉末在球磨機上球磨混合均勻，然后在300MPa的壓力 下模壓成生坯，將生坯放入真空熱壓燒結(jié)爐中進行高溫燒結(jié)，真空度控制為IX IO-3MPa,燒 結(jié)溫度為1350，燒結(jié)時間8h，所施加的壓力為25MPa。所得的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基 復合材料的抗壓縮強度為1916MPa，排水法測試得到燒結(jié)體的致密度為99. 4%。實施例9 制備成多相顆粒增強的(TiB+TiB2+TiC+Ti3SiC2) /Ti-5Al_4Mo復合材料，原材料采 用鈦粉、鋁粉、鉬粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比(Ti-5Al-4Mo) B4C SiC = 75 20 5稱取原料粉末。原料粉粉末在球磨機上球磨混合均勻，然后在600MPa的壓力 下模壓成生坯，將生坯放入真空熱壓燒結(jié)爐中進行高溫燒結(jié)，真空度控制為IX IO-3MPa,燒 結(jié)溫度為1650，燒結(jié)時間8h，所施加的壓力為20MPa。所得的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基 復合材料的抗壓縮強度為2100MPa，排水法測試得到燒結(jié)體的致密度為99. 3%。實施例10 制備成多相顆粒增強的(TiB+TiB2+TiC+Ti3SiC2)/Ti-15Mo-5Zr-3A 1 復合 材料，原材料采用鈦粉、鋁粉、鉬粉、鋯粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比 (Ti-15Mo-5Zr-3Al) B4C SiC = 75 20 5稱取原料粉末。原料粉粉末在球磨機上球 磨混合均勻，然后在500MPa的壓力下模壓成生坯，將生坯放入真空熱壓燒結(jié)爐中進行高溫 燒結(jié)，真空度控制為lX10_3MPa，燒結(jié)溫度為1500°C，燒結(jié)時間6h，所施加的壓力為25MPa。 所得的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料的抗壓縮強度為2000MPa，排水法測試得到 燒結(jié)體的致密度為99.5%。
實施例11 制備成多相顆粒增強的(TiB2+TiC+Ti3SiC2)/Ti-7Mo-4Fe復合材料，原材料采用 鈦粉、鐵粉、鉬粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比(Ti-7Mo-4Fe) B4C SiC = 80 10 10稱取原料粉末。原料粉粉末在球磨機上球磨混合均勻，然后在400MPa的壓力 下模壓成生坯，將生坯放入真空熱壓燒結(jié)爐中進行高溫燒結(jié)，真空度控制為lX10_2MPa，燒 結(jié)溫度為1450°C，燒結(jié)時間4h，所施加的壓力為15MPa。所得的多相顆粒增強的粉末冶金鈦 基復合材料的抗壓縮強度為1874MPa，排水法測試得到燒結(jié)體的致密度為99. 1%。
權(quán)利要求
1.一種多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料，由組份及重量百分比為=B4C 20%, SiC 20%，合金化元素0% 11%，其余為鈦的粉末材料通過真空熱壓燒結(jié)生 成多相增強體顆粒，其特征是所述的多相增強體顆粒包括硼化鈦、碳化鈦、硅化鈦、鈦硅碳 中的三種或三種以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料，其特征是所述的 B4C與SiC必須同時添加，以獲得不同比例的多相顆粒增強體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料，其特征是所述的 合金化元素是所有鈦合金化元素的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料，其特征是所述的 硼化鈦為TiB或TiB2。
5.制備權(quán)利要求1所述的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料的方法，其特征在 于包括如下步驟步驟一按照B4C 20%，SiC 20%，合金化元素0% 11%，其余為鈦的重 量百分比稱取鈦粉、碳化硼粉、碳化硅粉、合金化元素粉；步驟二 采用混合法將步驟一稱取的粉末混合均勻；步驟三將步驟二中混合均勻的粉末采用成型方法壓制成具有預定外形的生坯；步驟四將預制好的生坯放在真空熱壓燒結(jié)爐中燒結(jié)，真空度為IX ICT1MPa IX 10_3MPa，所施加的機械壓力為5 25Mpa，燒結(jié)溫度為1250 1650°C，燒結(jié)時間為2 8h，隨爐冷卻后得含硼化鈦、碳化鈦、硅化鈦、鈦硅碳的多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合 材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料的方法，其特征 是所述的混合法采用V型機或球磨機混合。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料的方法，其特征 是所述的成型方法的模壓壓力為300 600MPa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料及其制備方法，包括硼化鈦、碳化鈦、硅化鈦、鈦硅碳中的三種或三種以上。按照各組元的重量百分比稱取一定粒度的鈦粉、碳化硼粉、碳化硅粉、合金化元素粉。采用混合法將粉末混合均勻。通過模壓成型工藝壓制成具有一定形狀的生坯。將生坯放入真空熱壓燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，隨爐冷卻后得到原位自生多相顆粒增強的粉末冶金鈦基復合材料。本發(fā)明工藝過程簡單，在混料時同時添加不同比例的碳化硼粉和碳化硅粉，原位反應生成含硼化鈦、碳化鈦、硅化鈦、鈦硅碳等多相顆粒彌散增強的鈦基復合材料。適用于航空航天、先進武器系統(tǒng)、汽車發(fā)動機等高比強、高比剛性及耐磨耐腐蝕性能的要求。
文檔編號C22C1/05GK102102156SQ20111007710
公開日2011年6月22日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者歐小琴, 王薪, 肖代紅, 袁鐵錘 申請人:中南大學