碳化钛-碳化硅晶须增韧高强度钨基合金的制备方法
【专利摘要】本发明属于高熔点、高强度有色金属材料领域，特别是碳化钛?碳化硅晶须增韧高强度钨基合金材料的制备方法。由高强度钨基合金基体材料粉末和碳化钛?碳化硅晶须粉末组成，采用机械混合法使镁合金基体粉末与氧化钛?碳化钛晶须粉末均匀混合，真空烧结热压锭通过挤压变形获得原位生成碳化钛?碳化硅晶须增韧高强度钨基合金材料。本发明因原位生成碳化钛?碳化硅晶须增韧钨合金的具有强韧性，同时耐磨性、强度显著提高，尤其适合于刀具、模具和航空航天等材料的应用。
【专利说明】
碳化钛-碳化硅晶须増韧高强度钨基合金的制备方法
技术领域
[0001]本发明属于高熔点、高强度有色金属材料领域，特别是一种碳化钛-碳化硅晶须增韧高强度钨基合金材料。
【背景技术】
[0002]钨基合金是以钨(钨的质量分数通常为80%_97%)为基体，添加少量的其它等合金元素用粉末冶金液相法烧结而成，具有高熔点、高密度、高热导、低热膨胀系数、优良的高温强度和抗腐蚀性、良好的机械加工等综合性能。在航空航天、先进核能、军事装备、医学材料、电子等许多领域得到广泛应用。随着军用工业的发展，对钨基合金的性能也提出了更好的要求，传统上采用锻造和粉末冶金的方法并与热处理工艺相配合对提高钨基合金的性能有一定提高，但是随着科学技术的不断进步，采用粒子增强的方法来提高钨基合金的性能，目前取得了很大的进步。专利CN102703789提出了一种钨基合金材料及其制备方法，通过在烧结的钨基合金材料中添加碳纳米管来提高钨基合金材料的致密度和强度。但是由于烧结过程存在界面污染和晶粒长大问题，如何提高钨基合金的韧性十分必要。
[0003]基于上述目的，采用在钨基合金基体中原位生成碳化钛-碳化硅晶须来增韧钨基合金材料的方法。本发明的高强度钨基合金基体材料的化学成分及重量百分比为:Ta:0.1?0.3%，Nb:0.1?0.6%，Μο:0.2?0.8%，V:0.I?0.5%，其余为钨金属:97.6?99.5%。然后在基体钨基合金材料粉末中添加碳化钛-碳化硅晶须粉末，最终通过原位法制备高密度、耐腐蚀的高强韧钨基合金材料。
【发明内容】
[0004]本发明专利的目的是:在于克服上述现有技术不足，提供一种加工工艺稳定、生产成本低廉、无污染排放、可在常规条件下组织生产的碳化钛-碳化硅晶须增韧高强度钨基合金材料，较传统的钨基合金材料具有更好的强度，较常规高强度钨基合金材料的韧性大幅提升。
[0005]本发明提供了一种原位生成碳化钛-碳化硅晶须增韧高强度钨基合金材料，其特征在于:该材料沿挤压流线形成定向排列的碳化钛-碳化硅晶须和高强度钨基合金基体材料组成，晶须直径为300-800nm，原位增强相的体积总量在0.05-0.10。
[0006]本发明是通过以下技术方案:原位生成碳化钛-碳化硅晶须增韧高强度钨基合金材料粉末由高强度钨基合金基体材料粉末和碳化钛-碳化硅晶须粉末组成，然后采用机械混合法使高强度钨基合金基体粉末与碳化钛-碳化硅晶须粉末均匀混合，混合粉末冷压实后在10—6托真空条件下逐步加热除气，然后在1450-1500 °C，50-200Mpa条件下真空烧结1-10小时，热压锭1250-1300°C通过模具通道拐角为120°的等通道弯角挤压(ECAP)变形。测试表明所获得的原位生成碳化钛-碳化硅晶须增韧高强度钨基合金材料具有高强韧性。
[0007]方案所需材料按如下具体步骤制备:
(I)碳化钛-碳化硅晶须的制备: 原位生成碳化钛-碳化硅晶须粉末的制备工艺为:碳化钛-碳化硅晶须前驱体材料化学成分为:聚四氯乙烯，T12, Si，C，Mn，NaC，其重量配比为:(45.4?48.2):(45.4?48.2):(45.6?50.8):(45.6?50.8): (0.1?0.9):(1.0?8.1)。将按比例配制的能够生成碳化钛-碳化硅晶须的先驱体复合粉末加无水乙醇于球磨机中进行机械化球磨24小时，获得具有200-800nm晶粒尺寸超细先驱体复合粉末，将粉末装入石墨容器中，在氩气气氛保护和1450°C-1600°C的温度条件下，保温120min-240min合成。
[0008]Ti02+3C=(加热)TiC+2C0tSi+C=(加热)SiC
(2 )高强度钨基合金基体材料粉末制备:
高强度钨基合金基体材料的化学成分及重量百分比为:Ta: 0.1?0.3%，Nb:0.1?
0.6%，Μο:0.2?0.8%，ν:0.1?0.5%，其余为钨金属:97.8?99.5%。
[0009]将按比例配制的高强度钨基合金粉末加无水乙醇于球磨机中进行机械化球磨24小时，获得具有50-150μπι晶粒尺寸超细粉末。
[0010]本发明为获得最佳的综合力学性能和学腐蚀性能，严格控制杂质的含量:W的纯净度大于等于99.99% ;钽的纯净度大于等于99.999% ;夹杂元素总量不大于0.2%。
[0011 ] (3)碳化钛-碳化硅晶须与高强度钨基合金基体材料混合粉末:
碳化钛-碳化硅晶须粉末在高强度钨基合金材料中的重量含量为5-10%，将碳化钛-碳化硅晶须与高强度钨基合金基体材料按重量百分比为(5-10):(95-90)的比例配制为碳化钛-碳化硅晶须增韧高强度钨基合金材料粉末。
[0012]本发明中基体合金化元素的作用分别如下:
Ta的加入可以保障高强度钨基合金具有良好的抗腐蚀能力。
[0013]Nb的加入可以保障高强度钨基合金具有高温稳定性，保持组织的稳定性。
[0014]Mo的加入可以保障高强度钨基合金能形成高硬度的碳化物，保证合金的强度。
[0015]V的加入可以细化合金的组织和晶粒，提高合金的强度和硬度。
[0016]该原位生成碳化钛-碳化硅晶须增韧高强度钨基合金材料无需专用设备，在常规合金厂即可组织生产，本发明投资少，见效快，能快速收回投资成本。
[0017]与现有铸造高强度钨基合金技术相比，原位生成碳化钛-碳化硅晶须增韧高强度钨基合金的制备方法具有如下优点:
(I)具有强韧性、耐磨性、强度显著提高，间隔2小时挤压试样的力学性能差小于6%，这将有利于大批量、小尺寸□腔材料的稳定生产。增强颗粒尺寸细小，分布均勾，组织稳定性高，与在高强度钨基合金基体结合良好。材料的室温韧性、硬度和耐磨性能显著提高，尤其适合于刀具、模具和航空航天等材料的应用。
[0018](2 )合金组织稳定性好，不会分解有毒气体或有毒溶解物，本发明因增强颗粒是与高强度钨基合金颗粒在真空中原位反应生成，生产的工艺稳定性高。
【具体实施方式】
[0019]下面给出本发明的最佳实施例:按高强度钨基合金基体材料的化学成分及重量百分比为:了3:0.1?0.3%，恥:0.1?0.6%，]?0:0.2?0.8%，￥:0.1?0.5%，其余为钨金属:97.8?99.5%。将按比例配制的高强度钨基合金粉末加无水乙醇于球磨机中进行机械化球磨24小时，获得具有50-150μπι晶粒尺寸超细粉末。碳化钛-碳化硅晶须前驱体材料化学成分为:聚四氯乙烯，T12,Si，C，Mn，NaCl，其重量配比为:47.2:46::46:0.7:6.7。将按比例配制的能够生成碳化钛-碳化硅晶须的先驱体复合粉末加无水乙醇于球磨机中进行机械化球磨24小时，获得具有200-800nm晶粒尺寸超细先驱体复合粉末。将碳化钦-碳化娃晶须与尚强度钨基合金基体材料按重量百分比为8:92的比例配制为碳化钛-碳化硅晶须增韧高强度钨基合金材料粉末。然后采用机械混合法使高强度钨基合金基体粉末与碳化钛-碳化硅晶须粉末均匀混合，混合粉末冷压实后在10—6托真空条件下逐步加热除气，然后在1475°C，150Mpa条件下真空烧结2小时，热压锭在1300°C通过模具通道拐角为120°的等通道弯角挤压(ECAP)变形。然后进行T6处理，并进行性能测试。测试表明所获得的原位生成碳化钛-碳化硅晶须增韧高强度钨基合金材料具有高强韧性。该工艺下可获得中等塑性高强度钨基合金(抗拉强度为162IMPa，屈服强度为1570MPa，延伸率为6.8% )。
【主权项】
1.碳化钛-碳化硅晶须增韧高强度钨基合金材料的制备方法，其特征是由高强度钨基合金基体材料粉末和碳化钛-碳化硅晶须粉末组成，然后采用机械混合法使高强度钨基合金基体粉末与碳化钛-碳化硅晶须粉末均匀混合，真空烧结热压锭通过挤压变形获得原位生成碳化钛-碳化硅晶须增韧高强度钨基合金材料； (a)高强度钨基合金基体材料的化学成分及重量百分比为:Ta:0.1?0.3%，Nb:0.1?.0.6%，Μο:0.2?0.8%，ν:0.1?0.5%，其余为钨金属:97.8?99.5% ； (b)碳化钛-碳化娃晶须前驱体材料化学成分为:聚四氯乙稀，Ti02，Si，C，Mn，NaC，其重量配比为:(45.4?48.2):(45.4?48.2):(45.6?50.8):(45.6?50.8):(0.1 ?0.9):(1.0?8.1); (c)碳化钛-碳化硅晶须粉末在高强度钨基合金材料中的重量含量为5-10%，将碳化钛-碳化硅晶须与高强度钨基合金基体材料按重量百分比为(5-10): (95-90)的比例配制为碳化钛-碳化硅晶须增韧高强度钨基合金材料粉末。
【文档编号】C22C49/10GK106011699SQ201610473745
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】徐淑波, 景财年, 林晓娟
【申请人】山东建筑大学