專利名稱：TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著航空航天技術(shù)以及汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，各種新型飛行器的飛行距離和飛行速度的提高，對輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐熱材料及其精密熱成形技術(shù)提出了越來越高的要求。由于顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料具有許多突出優(yōu)點(diǎn)，如密度低，具有高的比強(qiáng)度和比彈性模量， 在高溫時(shí)仍可以保持足夠高的強(qiáng)度和剛度等，這使其成為航天、航空及汽車用耐熱結(jié)構(gòu)型材極具競爭力的材料。目前，世界主要發(fā)達(dá)國家都在積極開展顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料板材的研究工作。板材制備技術(shù)是顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料重要研究方向之一，顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料板材在航空航天工業(yè)領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料板材都是采用單一增強(qiáng)體，如申請?zhí)枮?01010178675. 7公開的TiC顆粒增強(qiáng) Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si高溫鈦合金復(fù)合材料板材，該材料的拉伸性能在650°C以上時(shí)急劇下降，在650°C時(shí)的拉伸性能為600 650MPa，在700°C時(shí)的拉伸性能為400 450MPa，而航空航天的應(yīng)用背景要求鈦基復(fù)合材料板材的拉伸強(qiáng)度在700°C應(yīng)保持在500MPa以上。這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的iC顆粒增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si高溫鈦合金復(fù)合材料板材的拉伸性能在650°C以上急劇下降的技術(shù)問題，而提供TiC和TiB混雜增強(qiáng) Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法。本發(fā)明的TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、按TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材中 TiC顆粒的體積百分比為0. 5% 12. 5%、TiB顆粒的體積百分比為0. 5% 12. 5%、 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si鈦合金的體積百分比為75% 99%計(jì)算并分別稱取鈦粉、石墨粉末、 二硼化鈦粉末和制備Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si鈦合金的原料，其中鈦粉與石墨粉末的摩爾比為2 6 1，鈦粉與二硼化鈦粉末的摩爾比為2 6 1 ；二、將經(jīng)步驟一稱取的鈦粉、石墨粉末和二硼化鈦粉末加入到混合機(jī)中混合均勻，然后再用冷等靜壓機(jī)將混合均勻的粉末在壓力為200MPa 300MPa的條件下保壓!Bmin lOmin，得到預(yù)制塊；三、將經(jīng)步驟一稱取的制備Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si鈦合金的原料和經(jīng)步驟二制備的預(yù)制塊加入到真空水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中熔煉，然后隨爐冷卻，得到鑄錠；四、將經(jīng)步驟三得到的鑄錠放入熱等靜壓機(jī)中，在溫度為900°C 1050°C、壓力為IOOMPa 200MPa的條件下保持Ih 3h后取出，然后從鑄錠上切取坯料；五、將經(jīng)步驟四得到的坯料放入溫度為950°C 1100°C的加熱爐中保持 4h后，將坯料進(jìn)行開坯鍛造，坯料的變形量為20% 80%，應(yīng)變速率為 KT2s-1 10s—1 ；接著再將坯料放入溫度為950°C 1100°C的熱處理爐中保持Ih 汕后，再進(jìn)行鍛造，坯料的變形量為30 % 80 %，應(yīng)變速率為10-2 IOs-I，最后去掉坯料表面的氧化皮或夾雜缺陷，得到鍛餅；六、將經(jīng)步驟五得到的鍛餅放入加熱爐中，升溫至950°C 1150°C后保持0. 5h 6h，然后將鍛餅放在熱軋機(jī)上進(jìn)行軋制，軋制壓力為200T 800T， 軋制溫度為9501150°C，軋制速度為0. lm/s 2m/s，經(jīng)2 5道次軋制，軋制總的變形量為80%，任意兩個(gè)道次間將鍛餅置于溫度為920°C 1150°C°C加熱爐中保持IOmin 60min，得到板材；七、將經(jīng)步驟六得到的板材放入溫度為920°C 1150°C加熱爐中并保持 IOmin 30min，然后隨爐冷卻至200°C 600°C，再空冷至室溫，得到TiC和TiB混雜增強(qiáng) Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材。步驟一中所述的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si鈦合金按元素的質(zhì)量百分比由80. 5 % 90. 1 % 的 Ti、5. 5% 7 % 的 Al、2 % 4% 的 Sn、2% 4% 的 Zr、0. 3 % 4 % 的 Mo 和 0. 0. 5%的Si組成；或者Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si鈦合金按元素的質(zhì)量百分比由79 % 90 %的Ti、 5. 5% 7% 的 Al、2% 4% 的 Sn、2% 4% 的 Zr、0. 3% 4% 的 Mo、0. 0. 5% 的 Si 和0. 1 1. 5%的微量元素組成；其中微量元素是Cr、W、Nbje和稀土元素中的一種或其中幾中的組合。鈦合金的成分含量(質(zhì)量)滿足鋁當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式·Μ* = Al%+l/3Sn% +l/6Zr% +l/2Ga% +10
彡 9%。本發(fā)明采用鈦粉、石墨粉末、二硼化鈦(TiB2)粉末生成的TiC和TiB增強(qiáng)體均勻分布在高溫鈦合金基體中，由于長的TiB晶須和球狀TiC顆粒在基體中，通過TiC的載荷傳遞強(qiáng)化、TiC的固溶強(qiáng)化、TiB和TiC增強(qiáng)體在復(fù)合材料拉伸時(shí)對高溫鈦合金基體滑移位錯(cuò)的阻力引起的位錯(cuò)強(qiáng)化及TiB和TiC增強(qiáng)體在復(fù)合材料板材軋制過程中造成的基體的細(xì)晶強(qiáng)化的作用，使得到的復(fù)合材料的室溫拉伸性能1420MPa 1530MPa，延伸率為3 8 % ；650°C 時(shí)拉伸強(qiáng)度可達(dá)810MPa 890MPa，延伸率為12. 3 21. 5%;700°C時(shí)拉伸強(qiáng)度在為520 560MPa，延伸率為15. 4 34. 2%。本方法制備的鈦基復(fù)合板材具有優(yōu)異的力學(xué)性能。


圖1是具體實(shí)施方式
二十三制備的TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-6A1_2. 5SI1-4&-0 .7Mo-0. 3Si-0. 3Y基復(fù)合材料板材的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、按TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材中TiC顆粒的體積百分比為0. 5% 12. 5%、TiB顆粒的體積百分比為0. 5% 12.5%, Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si鈦合金的體積百分比為75% 99%計(jì)算并分別稱取鈦粉、石墨粉末、二硼化鈦粉末和制備Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si鈦合金的原料，其中鈦粉與石墨粉末的摩爾比為2 6 1，鈦粉與二硼化鈦粉末的摩爾比為2 6 1;二、將經(jīng)步驟一稱取的鈦粉、石墨粉末和二硼化鈦粉末加入到混合機(jī)中混合均勻，然后再用冷等靜壓機(jī)將混合均勻的粉末在壓力為200MPa 300MPa的條件下保壓!Bmin lOmin，得到預(yù)制塊；三、將經(jīng)步驟一稱取的制備Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si鈦合金的原料和經(jīng)步驟二制備的預(yù)制塊加入到真空水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中熔煉，然后隨爐冷卻，得到鑄錠；四、將經(jīng)步驟三得到的鑄錠放入熱等靜壓機(jī)中，在溫度為900°C 1050°C、壓力為IOOMPa 200MPa的條件下保持Ih 汕后取出，然后從鑄錠上切取坯料；五、將經(jīng)步驟四得到的坯料放入溫度為950°C 1100°C的加熱爐中保持池 4h后，將坯料進(jìn)行開坯鍛造，坯料的變形量為20% 80%，應(yīng)變速率為 ΙΟ、—1 10s—1 ；接著再將坯料放入溫度為950°C 1100°C的熱處理爐中保持Ih 3h后， 再進(jìn)行鍛造，坯料的變形量為30 % 80 %，應(yīng)變速率為10-2 IOs-I，最后去掉坯料表面的氧化皮或夾雜缺陷，得到鍛餅；六、將經(jīng)步驟五得到的鍛餅放入加熱爐中，升溫至950°C 1150°C后保持0. 5h 6h，然后將鍛餅放在熱軋機(jī)上進(jìn)行軋制，軋制壓力為200T 800T， 軋制溫度為9501150°C，軋制速度為0. lm/s 2m/s，經(jīng)2 5道次軋制，軋制總的變形量為80%，任意兩個(gè)道次間將鍛餅置于溫度為920°C 1150°C°C加熱爐中保持IOmin 60min，得到板材；七、將經(jīng)步驟六得到的板材放入溫度為920°C 1150°C加熱爐中并保持 IOmin 30min，然后隨爐冷卻至200°C 600°C，再空冷至室溫，得到TiC和TiB混雜增強(qiáng) Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一中所述的鈦粉的細(xì)度為300目 350目，石墨粉末的細(xì)度為2μπι 5μπι，二硼化鈦粉末細(xì)度為2μπι 5μπι。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是步驟一中所述的鈦粉的細(xì)度為325目，石墨粉末的細(xì)度為3.5 μ m，二硼化鈦粉末細(xì)度為3 μ m。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三之一不同的是步驟二中所述的混合機(jī)為V型混合機(jī)或球磨機(jī)。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至三之一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四之一不同的是步驟三中所述的熔煉過程為將待熔煉的材料加入到真空水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中，再將真空水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中抽真空至真空度為3. OX 10_3mbar 4. 0 X 10_3mbar，然后開始熔煉，設(shè)置電源頻率為5kHz 7kHz，電源功率以彡0. 5kff/s的速率增加至255kW 350kW，然后保溫 min lOmin，再將電源功率降至150kW 200kW保溫6min lOmin，即完成熔煉過程。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至四之一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四之一不同的是步驟三中所述的熔煉過程為將待熔煉的材料加入到真空水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中，再將真空水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中抽真空至真空度為3. 5X l(T3mbar，然后開始熔煉，設(shè)置電源頻率為 6kHz,電源功率以0. 3kff/s的速率增加至300kW，然后保溫8min，再將電源功率降至180kW 保溫8min，即完成熔煉過程。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至四之一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至六之一不同的是步驟一中按 TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材中TiC顆粒的體積百分比為1 % 12%, TiB顆粒的體積百分比為 12%、Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si鈦合金的體積百分比為 76% 98%計(jì)算并分別稱取鈦粉、石墨粉末、二硼化鈦粉末和制備Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si鈦合金的原料，其中鈦粉與石墨粉末的摩爾比為3 5 1，鈦粉與二硼化鈦粉末的摩爾比為 3 5 1。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至六之一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至六之一不同的是步驟一中按TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材中TiC顆粒的體積百分比為8%、 TiB顆粒的體積百分比為7%、Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si高溫鈦合金的體積百分比為85%計(jì)算并分別稱取鈦粉、石墨粉末、二硼化鈦粉末和制備Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si鈦合金的原料，其中鈦粉與石墨粉末的摩爾比為4 1，鈦粉與二硼化鈦粉末的摩爾比為4 1。其它與具體實(shí)施方式
一至六之一相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至八之一不同的是步驟二中用冷等靜壓機(jī)將混合均勻的粉末在壓力為220MPa ^OMPa的條件下保壓5min 8min，得到預(yù)制塊。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至八之一相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至八之一不同的是步驟二中用冷等靜壓機(jī)將混合均勻的粉末在壓力為250MI^的條件下保壓7min，得到預(yù)制塊。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至八之一相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十之一不同的是步驟四中鑄錠放入熱等靜壓機(jī)中，在溫度為920°C 1030°C、壓力為llOMI^a 180MPa的條件下保持 1. 5h 2.證后取出。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至十之一相同。
具體實(shí)施方式
十二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十之一不同的是步驟四中鑄錠放入熱等靜壓機(jī)中，在溫度為980°C、壓力為150MPa的條件下保持池后取出其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至十之一相同。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十二之一不同的是步驟五中將坯料放入溫度為960°C 1000°C的加熱爐中保持2. 5h 3. 5h后，將坯料進(jìn)行開坯鍛造，坯料的變形量為30% 70%，應(yīng)變速率為0. 05s—1 其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至十二之一相同。
具體實(shí)施方式
十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十二之一不同的是步驟五中將坯料放入溫度為980°C的加熱爐中保持池后，將坯料進(jìn)行開坯鍛造，坯料的變形量為 50%，應(yīng)變速率為Is—1。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至十二之一相同。
具體實(shí)施方式
十五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十四之一不同的是步驟五中，開坯鍛造之后，再將坯料放入溫度為960°C 1000°C的熱處理爐中保持1. 5h 2. 5h 后，再進(jìn)行鍛造，坯料的變形量為35% 75%，應(yīng)變速率為0. 05s-1 其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至十四之一相同。
具體實(shí)施方式
十六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十四之一不同的是步驟五中，開坯鍛造之后，再將坯料放入溫度為990°C的熱處理爐中保持池后，再進(jìn)行鍛造，坯料的變形量為50 %，應(yīng)變速率為0. 5s-1。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至十四之一相同。
具體實(shí)施方式
十七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十六之一不同的是步驟六中將鍛餅放入加熱爐中，升溫至960°C 1100°C后保持Ih 5h，然后將鍛餅放在熱軋機(jī)上進(jìn)行軋制。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至十六之一相同。
具體實(shí)施方式
十八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十六之一不同的是步驟六中將鍛餅放入加熱爐中，升溫至1000°C后保持池，然后將鍛材放在熱軋機(jī)上進(jìn)行軋制。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至十六之一相同。
具體實(shí)施方式
十九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十八之一不同的是步驟六中軋制的條件為軋制壓力為300T 700T，軋制溫度為960°C 1100°C，軋制速度為0. 3m/s 1. 7m/s，經(jīng)3 4道次軋制，任意兩個(gè)道次間將鍛餅置于溫度為920°C 980°C加熱爐中保持20min 50min。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至十八之一相同。
具體實(shí)施方式
二十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至十八之一不同的是步驟六中軋制的條件為軋制壓力為500T，軋制溫度為990°C，軋制速度為lm/s，任意兩個(gè)道次間將鍛餅置于溫度為950°C加熱爐中保持30min。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至十八之一相同。
具體實(shí)施方式
二十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至二十之一不同的是步驟七中將板材放入溫度為950°C 1100°C加熱爐中并保持15min 25min，然后隨爐冷卻至 250°C 550°C。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至二十之一相同。
具體實(shí)施方式
二十二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至二十之一不同的是步驟七中將板材放入溫度為990°C加熱爐中并保持20min，然后隨爐冷卻至300°C。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至二十之一相同。
具體實(shí)施方式
二十三本實(shí)施方式的TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-6A1_2. 5Sn-4Zr_0. 7Mo-0. 3Si-0. 3Y基復(fù)合材料板材的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、按TiC和TiB混雜增強(qiáng) Τ -6Α1-2. 5Sn-4Zr-0. 7Mo_0. 3Si_0. 3Y基復(fù)合材料板材中TiC顆粒的體積百分比為2%、 TiB顆粒的體積百分比為3%、Ti-6Al-2. 5Sn-4Zr-0. 7Mo_0. 3Si_0. 3Y鈦合金的體積百分比為80%計(jì)算并分別稱取鈦粉、石墨粉末、二硼化鈦粉末、海綿鈦、工業(yè)純鋁、純錫、海綿鋯、純鉬、鋁釔中間合金和結(jié)晶硅，其中鈦粉與石墨粉末的摩爾比為4 1，鈦粉與二硼化鈦粉末的摩爾比為4 1 ；二、將經(jīng)步驟一稱取的鈦粉、石墨粉末和二硼化鈦粉末加入到混合機(jī)中混合均勻，然后再用冷等靜壓機(jī)將混合均勻的粉末在壓力為200MPa的條件下保壓5min，得到預(yù)制塊；三、將經(jīng)步驟一稱取的海綿鈦、工業(yè)純鋁、純錫、海綿鋯、純鉬、鋁釔中間合金、結(jié)晶硅和經(jīng)步驟二制備的預(yù)制塊加入到真空水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中熔煉，然后隨爐冷卻， 得到鑄錠；四、將經(jīng)步驟三得到的鑄錠放入熱等靜壓機(jī)中，在溫度為950°C、壓力為120MPa 的條件下保持池后取出，然后從鑄錠上切取坯料；五、將經(jīng)步驟四得到的坯料放入溫度為 1050°C的加熱爐中保持池后，將坯料進(jìn)行開坯鍛造，坯料的變形量為50%，應(yīng)變速率為 5s-1 ；接著再將坯料放入溫度為850°C的熱處理爐中保持Ih后，再進(jìn)行鍛造，坯料的變形量為75%，應(yīng)變速率為ls—1，最后去掉坯料表面的氧化皮或夾雜缺陷，得到鍛餅；六、將經(jīng)步驟五得到的鍛餅放入加熱爐中，升溫至930°C后保持50min，然后將鍛餅放在熱軋機(jī)上進(jìn)行軋制，軋制壓力為400T，軋制溫度為930°C，軋制速度為0. 5m/s，經(jīng)3道次軋制，軋制總的變形量為80%，任意兩個(gè)道次間將鍛餅置于溫度為930°C加熱爐中保持20min，得到板材；七、 將經(jīng)步驟六得到的板材放入溫度為930°C加熱爐中并保持lOmin，然后隨爐冷卻至500°C， 再空冷至室溫,得到TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-6Al-2. 5Sn-4Zr-0. 7Mo-0. 3Si_0. 3Y基復(fù)合材料板材；步驟一中所述的Ti-6Al-2. 5Sn-4Zr-0. 7Mo-0. 3Si_0. 3Y鈦合金按質(zhì)量百分比由 86. 15% 的 Ti、6% 的 Al、2. 5% 的 Sn、4% 的 Zr、0. 7% 的 Mo、0. 的 Si 和 0. 3% 的 Y 元素組成。步驟一中所述的鈦粉的顆粒尺度為325目，石墨粉末顆粒尺度為2 μ m 5 μ m，二硼化鈦粉末的粒徑為2 μ m 5 μ m。步驟一中海綿鈦的純度為99. 9% (質(zhì)量百分比)，工業(yè)純鋁的純度為99. 99% (質(zhì)量百分比)，純錫的純度為99.9% (質(zhì)量百分比)，海綿鋯的純度為99.9% (質(zhì)量百分比)，結(jié)晶硅的純度為99. 99% (質(zhì)量百分比)，純鉬的純度為99. 7% (質(zhì)量百分比)。步驟二中的混合機(jī)為V型混合機(jī)。步驟三中所述的熔煉過程為將待熔煉的材料加入到真空水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中，再將真空水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中抽真空至真空度為3. 0 X IO-3Hibar，然后開始熔煉，設(shè)置電源頻率為7kHz，電源功率以0. 3kW/s的速率增加至350kW，然后保溫lOmin，再將電源功率降至200kW保溫lOmin，即完成熔煉過程。本實(shí)施方式制備的TiC 和 TiB 混雜增強(qiáng) Ti-6Al-2. 5Sn-4Zr-0. 7Mo_0. 3Si_0. 3Y 基復(fù)合材料板材顯微組織圖如圖1所示。從圖1中可以看出，復(fù)合材料板材的基體組織為等軸狀α+β雙態(tài)組織，α及β相并沒有沿軋制方向拉長，說明軋制過程中發(fā)生了明顯的再結(jié)晶。α晶粒尺寸在20μπι以下，軋制后得到了明顯的細(xì)化。另外，軋制變形后，增強(qiáng)相顆粒破碎并沿軋制方向均勻排布。其中TiC呈等軸狀或近等軸狀，TiB呈晶須狀。可知，軋制后細(xì)小而均勻分布的增強(qiáng)體不但能大幅度提高復(fù)合材料的強(qiáng)度，而且能保持較高的塑性。本實(shí)施方式制備的TiC 和 TiB 混雜增強(qiáng) Ti-6Al-2. 5Sn-4Zr-0. 7Mo_0. 3Si_0. 3Y 基復(fù)合材料板材在室溫及高溫均表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，室溫抗拉強(qiáng)度為1450MPa，屈服強(qiáng)度為1279. 5MPa，延伸率為4. 1%，彈性模量為143. 2GPa。650°C時(shí)的拉伸強(qiáng)度為830MPa，屈服強(qiáng)度為740. 6MPa，延伸為13. 4% ；700°C時(shí)的拉伸強(qiáng)度為540. 8MPa,屈服強(qiáng)度為485. 9MPa, 延伸為19.2%?？捎糜谥圃祜w機(jī)、衛(wèi)星、火箭等航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱部件及蒙皮等，在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用潛力。
具體實(shí)施方式
二十四本實(shí)施方式的TiC和TiB 混雜增強(qiáng) Ti-5. 5Al-4Sn-4Zr-0. 3Mo-lNb-0. 5Si基復(fù)合材料板材的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、按 TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-5. 5Al-4Sn-4Zr-0. 3Mo-lNb_0. 5Si基復(fù)合材料板材中TiC顆粒的體積百分比為4%, TiB顆粒的體積百分比為4%, Ti-5. 5Al-4Sn-4Zr-0. 3Mo-lNb_0· 5Si 鈦合金的體積百分比為92%計(jì)算并分別稱取鈦粉、石墨粉末、二硼化鈦粉末、海綿鈦、工業(yè)純鋁、純錫、海綿鋯、純鉬、鋁鈮中間合金和結(jié)晶硅，其中鈦粉與石墨粉末的摩爾比為 4 1，鈦粉與二硼化鈦粉末的摩爾比為4 1 ；二、將經(jīng)步驟一稱取的鈦粉、石墨粉末和二硼化鈦粉末加入到混合機(jī)中混合均勻，然后再用冷等靜壓機(jī)將混合均勻的粉末在壓力為200MPa的條件下保壓5min，得到預(yù)制塊；三、將經(jīng)步驟一稱取的海綿鈦、工業(yè)純鋁、純錫、海綿鋯、純鉬、鋁鈮中間合金、結(jié)晶硅和經(jīng)步驟二制備的預(yù)制塊加入到真空水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中熔煉，然后隨爐冷卻，得到鑄錠；四、將經(jīng)步驟三得到的鑄錠放入熱等靜壓機(jī)中，在溫度為950°C、壓力為120MPa的條件下保持池后取出，然后從鑄錠上切取坯料； 五、將經(jīng)步驟四得到的坯料放入溫度為1050°C的加熱爐中保持池后，將坯料進(jìn)行開坯鍛造，坯料的變形量為50%，應(yīng)變速率為0. 05s-1 ；接著再將坯料放入溫度為1050°C的熱處理爐中保持Ih后，再進(jìn)行鍛造，坯料的變形量為75 %，應(yīng)變速率為0. 02s-1,最后去掉坯料表面的氧化皮或夾雜缺陷，得到鍛餅；六、將經(jīng)步驟五得到的鍛餅放入加熱爐中，升溫至1000°C后保持50min，然后將鍛餅放在熱軋機(jī)上進(jìn)行軋制，軋制壓力為400T，軋制溫度為1000°C，軋制速度為0. 5m/s,經(jīng)3道次軋制，軋制總的變形量為80%，任意兩個(gè)道次間將鍛餅置于溫度為1000°C加熱爐中保持20min，得到板材；七、將經(jīng)步驟六得到的板材放入溫度為1000°C加熱爐中并保持lOmin，然后隨爐冷卻至500°C，再空冷至室溫，得到TiC和 TiB混雜增強(qiáng)Ti-5. 5Al-4Sn-4Zr-0. 3Mo-lNb_0. 5Si 基復(fù)合材料板材；步驟一中所述的Ti-5. 5Al-4Sn-4Zr-0. 3Mo-lNb_0. 5Si 鈦合金按質(zhì)量百分比由 84. 7%的 Ti、5. 5%的 Al、4% 的Sn、4%的Zr、0. 3%的Mo、0. 5%的Si和的Nb元素組成。本實(shí)施方式制備的 TiC 和 TiB 混雜增強(qiáng) Ti-5. 5Al-4Sn-4Zr_0. 3Mo-lNb_0. 5Si 基復(fù)合材料板材在室溫及高溫均表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，室溫抗拉強(qiáng)度為1380MPa，屈服強(qiáng)度為1290. 5MPa，延伸率為3. 8%，彈性模量為145. 7GPa。650°C時(shí)的拉伸強(qiáng)度為838MPa，屈服強(qiáng)度為760. IMPa，延伸為15. 4% ；700°C時(shí)的拉伸強(qiáng)度為550. 3MPa，屈服強(qiáng)度為479. 7MPa, 延伸為17.9%。可用于制造飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭等航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱部件及蒙皮等，在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用潛力。
權(quán)利要求
1.TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法，其特征在于TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法按以下步驟進(jìn)行 一、按TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si鈦合金復(fù)合板材中TiC顆粒的體積百分比為0. 5% 12. 5%、TiB顆粒的體積百分比為0. 5% 12. 5 %、Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si鈦合金的體積百分比為75% 99%計(jì)算并分別稱取鈦粉、石墨粉末、二硼化鈦粉末、海綿鈦、工業(yè)純鋁、純錫、海綿鋯、純鉬和結(jié)晶硅，其中鈦粉與石墨粉末的摩爾比為2 6 1，鈦粉與二硼化鈦粉末的摩爾比為2 6 1 ；二、將經(jīng)步驟一稱取的鈦粉、石墨粉末和二硼化鈦粉末加入到混合機(jī)中混合均勻，然后再用冷等靜壓機(jī)將混合均勻的粉末在壓力為200MPa 300MPa的條件下保壓:3min lOmin，得到預(yù)制塊；三、將經(jīng)步驟一稱取的海綿鈦、工業(yè)純鋁、純錫、海綿鋯、純鉬、結(jié)晶硅和經(jīng)步驟二制備的預(yù)制塊加入到真空水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中熔煉，然后隨爐冷卻，得到鑄錠；四、將經(jīng)步驟三得到的鑄錠放入熱等靜壓機(jī)中，在溫度為900°C 1050°C、壓力為IOOMPa 200MPa的條件下保持Ih 汕后取出，然后從鑄錠上切取坯料；五、將經(jīng)步驟四得到的坯料放入溫度為950°C 1100°C的加熱爐中保持池 4h 后，將坯料進(jìn)行開坯鍛造，坯料的變形量為20 % 80 %，應(yīng)變速率為KT2iT1 IOiT1 ；接著再將坯料放入溫度為950°C 1100°C的熱處理爐中保持Ih 池后，再進(jìn)行鍛造，坯料的變形量為30 % 80 %，應(yīng)變速率為10-2 IOs-I，最后去掉坯料表面的氧化皮或夾雜缺陷，得到鍛餅；六、將經(jīng)步驟五得到的鍛餅放入加熱爐中，升溫至950°C 1150°C后保持0. 5h 6h， 然后將鍛餅放在熱軋機(jī)上進(jìn)行軋制，軋制壓力為200T 800T，軋制溫度為950°C 1150°C， 軋制速度為0. lm/s 2m/s，經(jīng)2 5道次軋制，軋制總的變形量為80%，任意兩個(gè)道次間將鍛餅置于溫度為920°C 1150°C°C加熱爐中保持IOmin 60min，得到板材；七、將經(jīng)步驟六得到的板材放入溫度為920°C 1150°C加熱爐中并保持IOmin 30min，然后隨爐冷卻至200°C 600°C，再空冷至室溫，得到TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材；步驟一中所述的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si高溫鈦合金為按元素的質(zhì)量百分比由 80. 5% 90. 的 Ti、5. 5% 7% 的 Al、2% 4% 的 Sn、2% 4% 的 Zr、0. 3% 4% 的 Mo和0. 0. 5%的Si組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法，其特征在于步驟二中所述的混合機(jī)為V型混合機(jī)或球磨機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法，其特征在于步驟三中所述的熔煉過程為將待熔煉的材料加入到真空水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中，再將真空水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中抽真空至真空度為 3. OX 10_3mbar 4. OX 10_3mbar，然后開始熔煉，設(shè)置電源頻率為5kHz 7kHz,電源功率以彡0. 5kff/s的速率增加至255kW 350kW，然后保溫5min lOmin，再將電源功率降至 150kff 200kW保溫6min lOmin，即完成熔煉過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法，其特征在于步驟二中用冷等靜壓機(jī)將混合均勻的粉末在壓力為220MI^ 280MPa的條件下保壓5min 8min，得到預(yù)制塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法，其特征在于步驟四中鑄錠放入熱等靜壓機(jī)中，在溫度為920°C 1030°C、壓力為IlOMPa 180MPa的條件下保持1. 5h 2. 5h后取出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法，其特征在于步驟五中將坯料放入溫度為960°C 1050°C的加熱爐中保持 2.證 3.證后，將坯料進(jìn)行開坯鍛造，坯料的變形量為30 % 70 %，應(yīng)變速率為0. 05s—1 5s 1O
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法，其特征在于步驟五中，開坯鍛造之后，再將坯料放入溫度為960°C 1000°C 的熱處理爐中保持1. 5h 2.證后，再進(jìn)行鍛造，坯料的變形量為35% 75%，應(yīng)變速率為0. 05s 1 5s 1O
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法，其特征在于步驟六中將鍛餅放入加熱爐中，升溫至960°C 1100°C后保持 Ih 證，然后將鍛餅放在熱軋機(jī)上進(jìn)行軋制。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法，其特征在于步驟六中軋制的條件為軋制壓力為300T 700T，軋制溫度為 960°C 1100°C，軋制速度為0. 3m/s 1. 7m/s，經(jīng)3 4道次軋制，任意兩個(gè)道次間將鍛餅置于溫度為920°C 980°C加熱爐中保持20min 50min。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法，其特征在于步驟七中將板材放入溫度為950°C 1100°C加熱爐中并保持 15min 25min，然后隨爐冷卻至250°C 550°C。
全文摘要
TiC和TiB混雜增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的制備方法，它涉及鈦基復(fù)合材料板材的制備方法，本發(fā)明解決現(xiàn)有的TiC顆粒增強(qiáng)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si基復(fù)合材料板材的拉伸性能在650℃以上急劇下降的問題。本方法將按復(fù)合材料板材中TiC、TiB和Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si鈦合金的體積百分比計(jì)算所需要的鈦粉、二硼化鈦、石墨粉末及其它材料，然后先將鈦粉、二硼化鈦和石墨粉末制成預(yù)制塊，再將其與其它材料一同熔煉，得到鑄錠，再經(jīng)鍛造、軋制和熱處理之后，得到復(fù)合材料板材，材料在650℃時(shí)拉伸強(qiáng)度為810～890MPa；可用于航空航天領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C22F1/18GK102304643SQ20111027479
公開日2012年1月4日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者孔凡濤, 張長江, 徐麗娟, 肖樹龍, 陳玉勇 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)