專利名稱：多元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的原位合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于材料制備技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)合材料的制備方法，特別是一種多元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的原位合成方法。
背景技術(shù)：
鈦基復(fù)合材料主要分為兩大類，纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料和顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料性能各向異性、工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴，而顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料性能各向同性、機(jī)械性能優(yōu)異、加工容易、成本相對(duì)較低，因而引起了人們廣泛的關(guān)注。目前顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料大都采用一種或兩種增強(qiáng)體，還未見(jiàn)有多元增強(qiáng)體增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料。由于多元多尺度增強(qiáng)體的交互作用，有望進(jìn)一步改善復(fù)合材料的綜合性能，因此復(fù)合材料研究也從一元或兩元增強(qiáng)轉(zhuǎn)向了多元增強(qiáng)。多元多尺度復(fù)合材料是復(fù)合材料發(fā)展的重點(diǎn)方向和必然趨勢(shì)。
迄今為止制備的鈦基復(fù)合材料幾乎都為一元或二元增強(qiáng)體強(qiáng)化的鈦基復(fù)合材料，其制備方法可以簡(jiǎn)單地歸納為外加法和原位自生法。原位自生方法與外加法比較有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以制備性能更為優(yōu)異的復(fù)合材料。目前原位自生鈦基復(fù)合材料的主要制備方法有快速凝固法(RSP)、機(jī)械合金化法(MA)、粉末冶金法(PM)、燃燒輔助鑄造法(CAC)、反應(yīng)熱壓法(RHP)等，這些方法制備鈦基復(fù)合材料都需要專用設(shè)備，工藝復(fù)雜，因而提高了鈦基復(fù)合材料的成本，限制了鈦基復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利名稱TiB和稀土氧化物增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法，專利號(hào)ZL02111575.3，該專利利用普通的冶煉工藝制備了TiB和稀土氧化物增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料，雖然工藝簡(jiǎn)單，但其增強(qiáng)體是二元的，無(wú)法制備出多元多尺度的增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，提供一種多元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的原位合成方法，使其簡(jiǎn)捷、低成本制備多元多尺度增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，增強(qiáng)體可以在基體中原位合成，且在基體中分布均勻，增強(qiáng)體形狀、尺寸也是多元的，可以充分發(fā)揮多元多尺度增強(qiáng)體的交互作用；增強(qiáng)體同基體界面結(jié)合良好，力學(xué)性能、物理性能優(yōu)越。本發(fā)明利用現(xiàn)有的鈦合金冶煉設(shè)備和工藝，無(wú)需特殊的制備設(shè)備和復(fù)雜的加工工藝，只需在原料中添加反應(yīng)物，可大大降低復(fù)合材料成本，尤其適合批量生產(chǎn)。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，方法步驟如下(1)稱取海綿鈦、碳化硼、稀土(或含有稀土元素的中間合金)、氧化硼和合金化元素，氧化硼含量為0～5％，稀土含量為0～24％，碳化硼含量為0～5％；(2)將海綿鈦、反應(yīng)物和合金化元素混合均勻，自耗電弧熔煉先壓成電極，然后將電極組焊，裝入真空非自耗電弧爐或真空自耗電弧爐中；(3)抽真空，真空度控制在1×10-3Pa～1Pa之間，加電壓調(diào)整電流熔煉，熔煉次數(shù)大于或等于二次；(4)經(jīng)凝固即獲得多元多尺度增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料。
本發(fā)明原位自生增強(qiáng)體按下列反應(yīng)進(jìn)行。
本發(fā)明獲得多元多尺度增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料經(jīng)過(guò)鍛造、軋制等工藝可以制備不同的鈦基復(fù)合材料型材。
增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)控制在30％以內(nèi)，稀土元素可以以純金屬方式加入也可以以中間合金的方式加入，合金化元素包括Al、Sn、Zr、Mo等所有傳統(tǒng)鈦合金的合金化元素中的一種或多種，合金元素的含量根據(jù)所需的性能要求調(diào)整合金化元素成分及合金化元素的配比，增強(qiáng)體TiC、TiB和稀土氧化物的摩爾比值可以通過(guò)添加不同的碳化硼、氧化硼和稀土或稀土中間合金的方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明方法制備的鈦基復(fù)合材料，經(jīng)鍛造、熱軋等二次加工工藝可以制備成各種型材，最后利用常用的機(jī)械加工方式加工成零件。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，在不改變傳統(tǒng)鈦合金加工設(shè)備和工藝流程的情況下可以簡(jiǎn)捷、低成本制備不同形狀、不同尺寸的多元多尺度增強(qiáng)體強(qiáng)化的鈦基復(fù)合材料，該復(fù)合材料可以充分發(fā)揮多元增強(qiáng)體的協(xié)調(diào)強(qiáng)化效應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)制備高性能的鈦基復(fù)合材料，并且可以通過(guò)調(diào)整增強(qiáng)體的含量、摩爾配比及基體合金成份制備不同性能的復(fù)合材料以滿足不同的性能需求。該發(fā)明綜合利用了原位自生工藝的優(yōu)點(diǎn)，又創(chuàng)造性地發(fā)揮了多元增強(qiáng)體的協(xié)調(diào)強(qiáng)化機(jī)理，可以制備更佳綜合性能的鈦基復(fù)合材料。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下五個(gè)實(shí)施例實(shí)施例1制取0.5％(Nd2O3+TiB+TiC)/Ti復(fù)合材料(Nd2O3∶TiB∶TiC＝2∶6∶1)。
按照配比稱取海綿鈦99.753％、釹0.153％、氧化硼0.037％和碳化硼粉0.057％，將其混合均勻后，放入非自耗電弧爐中，對(duì)非自耗電弧爐抽真空，真空度為1×10-3Pa，然后利用真空非自耗電弧爐進(jìn)行熔煉，樣品熔煉三次，最后隨爐冷卻，凝固后就制得TiB晶須、TiC顆粒和納米級(jí)氧化釹三元增強(qiáng)體強(qiáng)化的鈦基復(fù)合材料。本實(shí)施例可以制備微米級(jí)TiB晶須、TiC顆粒和納米氧化釹三元增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料。
實(shí)施例2制取10％(Y2O3+TiB+TiC)/Ti-10V-2Fe-3Al復(fù)合材料(Y2O3∶TiB∶TiC＝3∶7∶1)。
按照配比稱取海綿鈦83.778％、釔2.516％、氧化硼0.989％、碳化硼粉0.990％、鋁釩中間合金10.023％含78％V、鋁絲0.141％、鐵粉1.563％，將其混合均勻后，利用壓機(jī)壓制成棒狀電極，電極組焊后裝入真空自耗電弧爐中，對(duì)真空自耗電弧爐抽真空，工作真空度為0.4Pa，然后利用真空自耗電弧爐進(jìn)行熔煉，樣品熔煉二次，最后隨爐冷卻，制得TiB、TiC和稀土氧化釔增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料。該鑄錠經(jīng)過(guò)鍛造開(kāi)坯和軋機(jī)軋制制得板材。本實(shí)施例可以制備增強(qiáng)體含量較多，并可經(jīng)軋制加工的多元增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料板材。
實(shí)施例3制取10％(Nd2O3+TiB+TiC)/Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si復(fù)合材料(Nd2O3∶TiB∶TiC＝2∶6∶1)。
按照配比稱取海綿鈦83.379％、釹3.009％、氧化硼0.731％、碳化硼粉1.131％和鋁鉬中間合金3.101％含Mo50％、鋁絲3.101％，鈦錫中間合金2.385％含錫65％，鋯3.101％和結(jié)晶硅0.062％，將其混合均勻后，利用壓機(jī)壓制成棒狀電極，電極組焊后裝入真空自耗電弧爐中，對(duì)真空自耗電弧爐抽真空，工作真空度為0.05Pa，然后利用真空自耗電弧爐進(jìn)行熔煉，樣品熔煉三次，最后隨爐冷卻，制得TiB、TiC和稀土氧化釔增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料。該鑄錠經(jīng)過(guò)鍛造開(kāi)坯和兩相區(qū)鍛造可制得棒材。本實(shí)施例制備了具有較佳耐熱性能的多元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。
實(shí)施例4制取15％(Ce2O3+TiB+TiC)/Ti-6Al-4V復(fù)合材料(Ce2O3∶TiB∶TiC＝2∶6∶1)。
按照配比秤取海綿鈦84.688％、鈰4.669％、氧化硼1.167％、碳化硼1.857％和鋁釩中間合金3.907％含78％V、鋁絲3.712％，將其混合均勻后，利用壓機(jī)壓制成棒狀電極，電極組焊后裝入真空自耗電弧爐中，對(duì)真空自耗電弧爐抽真空，工作真空度為0.03Pa，然后利用真空自耗電弧爐進(jìn)行熔煉，樣品熔煉二次，最后隨爐冷卻，制得TiB、TiC和稀土氧化鈰增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料。該鑄錠經(jīng)過(guò)鍛造和熱處理后可制得棒材。本實(shí)施例可以制備耐磨性較好的多元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料棒材。
實(shí)施例5制取29％(Nd2O3+TiB+TiC)/Ti復(fù)合材料(Nd2O3∶TiB∶TiC＝2∶11∶2)。
按照配比稱取海綿鈦87.087％、釹6.474％、氧化硼1.574％和碳化硼粉4.865％，將其混合均勻后，裝入非自耗電弧爐中，對(duì)真空非自耗電弧爐抽真空，真空度控制在0.06Pa，然后進(jìn)行真空熔煉，樣品熔煉三次，最后隨爐冷卻，制得三元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。本實(shí)施例可以制備增強(qiáng)體含量最多的多元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.一種多元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的原位合成方法，其特征在于(1)稱取海綿鈦、碳化硼、稀土或含有稀土元素的中間合金、氧化硼和合金化元素，氧化硼含量為0～5％，稀土含量為0～24％，碳化硼含量為0～5％；(2)將海綿鈦、反應(yīng)物和合金化元素混合均勻，自耗電弧熔煉先壓成電極，然后將電極組焊，裝入真空非自耗電弧爐或真空自耗電弧爐中；(3)抽真空，真空度控制在1×10-3Pa～1Pa之間，加電壓調(diào)整電流熔煉，熔煉次數(shù)大于或等于二次；(4)經(jīng)凝固即獲得多元多尺度增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的原位合成方法，其特征是，原位自生增強(qiáng)體按下列反應(yīng)進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的原位合成方法，其特征是，增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)和摩爾比以及基體合金成份可調(diào)，且增強(qiáng)體的總體積分?jǐn)?shù)控制在30％之內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的原位合成方法，其特征是，稀土元素以純金屬方式加入，或者以中間合金的方式加入。
全文摘要
一種多元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的原位合成方法，用于材料制備領(lǐng)域。步驟如下稱取海綿鈦、碳化硼、稀土或含有稀土元素的中間合金、氧化硼和合金化元素，氧化硼含量為0～5％，稀土含量為0～24％，碳化硼含量為0～5％；將海綿鈦、反應(yīng)物和合金化元素混合均勻，自耗電弧熔煉先壓成電極，然后將電極組焊，裝入真空非自耗電弧爐或真空自耗電弧爐中；抽真空，真空度控制在1×10
文檔編號(hào)C04B35/622GK1609048SQ20041006802
公開(kāi)日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2004年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月11日
發(fā)明者楊志峰, 呂維潔, 覃繼寧, 徐棟, 張荻 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)