专利名称：多元增强钛基复合材料的原位合成方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用于材料制备技术领域的复合材料的制备方法，特别是一种多元增强钛基复合材料的原位合成方法。
背景技术：
钛基复合材料主要分为两大类，纤维增强钛基复合材料和颗粒增强钛基复合材料。纤维增强钛基复合材料性能各向异性、工艺复杂、价格昂贵，而颗粒增强钛基复合材料性能各向同性、机械性能优异、加工容易、成本相对较低，因而引起了人们广泛的关注。目前颗粒增强钛基复合材料大都采用一种或两种增强体，还未见有多元增强体增强的钛基复合材料。由于多元多尺度增强体的交互作用，有望进一步改善复合材料的综合性能，因此复合材料研究也从一元或两元增强转向了多元增强。多元多尺度复合材料是复合材料发展的重点方向和必然趋势。
迄今为止制备的钛基复合材料几乎都为一元或二元增强体强化的钛基复合材料，其制备方法可以简单地归纳为外加法和原位自生法。原位自生方法与外加法比较有明显的优势，可以制备性能更为优异的复合材料。目前原位自生钛基复合材料的主要制备方法有快速凝固法(RSP)、机械合金化法(MA)、粉末冶金法(PM)、燃烧辅助铸造法(CAC)、反应热压法(RHP)等，这些方法制备钛基复合材料都需要专用设备，工艺复杂，因而提高了钛基复合材料的成本，限制了钛基复合材料的实际应用。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利名称TiB和稀土氧化物增强钛基复合材料的制备方法，专利号ZL02111575.3，该专利利用普通的冶炼工艺制备了TiB和稀土氧化物增强的钛基复合材料，虽然工艺简单，但其增强体是二元的，无法制备出多元多尺度的增强钛基复合材料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种多元增强钛基复合材料的原位合成方法，使其简捷、低成本制备多元多尺度增强钛基复合材料，增强体可以在基体中原位合成，且在基体中分布均匀，增强体形状、尺寸也是多元的，可以充分发挥多元多尺度增强体的交互作用；增强体同基体界面结合良好，力学性能、物理性能优越。本发明利用现有的钛合金冶炼设备和工艺，无需特殊的制备设备和复杂的加工工艺，只需在原料中添加反应物，可大大降低复合材料成本，尤其适合批量生产。
本发明是通过以下技术方案实现的，方法步骤如下(1)称取海绵钛、碳化硼、稀土(或含有稀土元素的中间合金)、氧化硼和合金化元素，氧化硼含量为0～5％，稀土含量为0～24％，碳化硼含量为0～5％；(2)将海绵钛、反应物和合金化元素混合均匀，自耗电弧熔炼先压成电极，然后将电极组焊，装入真空非自耗电弧炉或真空自耗电弧炉中；(3)抽真空，真空度控制在1×10-3Pa～1Pa之间，加电压调整电流熔炼，熔炼次数大于或等于二次；(4)经凝固即获得多元多尺度增强的钛基复合材料。
本发明原位自生增强体按下列反应进行。
本发明获得多元多尺度增强的钛基复合材料经过锻造、轧制等工艺可以制备不同的钛基复合材料型材。
增强体的体积分数控制在30％以内，稀土元素可以以纯金属方式加入也可以以中间合金的方式加入，合金化元素包括Al、Sn、Zr、Mo等所有传统钛合金的合金化元素中的一种或多种，合金元素的含量根据所需的性能要求调整合金化元素成分及合金化元素的配比，增强体TiC、TiB和稀土氧化物的摩尔比值可以通过添加不同的碳化硼、氧化硼和稀土或稀土中间合金的方式实现。根据本发明方法制备的钛基复合材料，经锻造、热轧等二次加工工艺可以制备成各种型材，最后利用常用的机械加工方式加工成零件。
本发明具有实质性特点和显著进步，在不改变传统钛合金加工设备和工艺流程的情况下可以简捷、低成本制备不同形状、不同尺寸的多元多尺度增强体强化的钛基复合材料，该复合材料可以充分发挥多元增强体的协调强化效应，以实现制备高性能的钛基复合材料，并且可以通过调整增强体的含量、摩尔配比及基体合金成份制备不同性能的复合材料以满足不同的性能需求。该发明综合利用了原位自生工艺的优点，又创造性地发挥了多元增强体的协调强化机理，可以制备更佳综合性能的钛基复合材料。
具体实施例方式
结合本发明的内容提供以下五个实施例实施例1制取0.5％(Nd2O3+TiB+TiC)/Ti复合材料(Nd2O3∶TiB∶TiC＝2∶6∶1)。
按照配比称取海绵钛99.753％、钕0.153％、氧化硼0.037％和碳化硼粉0.057％，将其混合均匀后，放入非自耗电弧炉中，对非自耗电弧炉抽真空，真空度为1×10-3Pa，然后利用真空非自耗电弧炉进行熔炼，样品熔炼三次，最后随炉冷却，凝固后就制得TiB晶须、TiC颗粒和纳米级氧化钕三元增强体强化的钛基复合材料。本实施例可以制备微米级TiB晶须、TiC颗粒和纳米氧化钕三元增强的钛基复合材料。
实施例2制取10％(Y2O3+TiB+TiC)/Ti-10V-2Fe-3Al复合材料(Y2O3∶TiB∶TiC＝3∶7∶1)。
按照配比称取海绵钛83.778％、钇2.516％、氧化硼0.989％、碳化硼粉0.990％、铝钒中间合金10.023％含78％V、铝丝0.141％、铁粉1.563％，将其混合均匀后，利用压机压制成棒状电极，电极组焊后装入真空自耗电弧炉中，对真空自耗电弧炉抽真空，工作真空度为0.4Pa，然后利用真空自耗电弧炉进行熔炼，样品熔炼二次，最后随炉冷却，制得TiB、TiC和稀土氧化钇增强的钛基复合材料。该铸锭经过锻造开坯和轧机轧制制得板材。本实施例可以制备增强体含量较多，并可经轧制加工的多元增强的钛基复合材料板材。
实施例3制取10％(Nd2O3+TiB+TiC)/Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si复合材料(Nd2O3∶TiB∶TiC＝2∶6∶1)。
按照配比称取海绵钛83.379％、钕3.009％、氧化硼0.731％、碳化硼粉1.131％和铝钼中间合金3.101％含Mo50％、铝丝3.101％，钛锡中间合金2.385％含锡65％，锆3.101％和结晶硅0.062％，将其混合均匀后，利用压机压制成棒状电极，电极组焊后装入真空自耗电弧炉中，对真空自耗电弧炉抽真空，工作真空度为0.05Pa，然后利用真空自耗电弧炉进行熔炼，样品熔炼三次，最后随炉冷却，制得TiB、TiC和稀土氧化钇增强的钛基复合材料。该铸锭经过锻造开坯和两相区锻造可制得棒材。本实施例制备了具有较佳耐热性能的多元增强钛基复合材料。
实施例4制取15％(Ce2O3+TiB+TiC)/Ti-6Al-4V复合材料(Ce2O3∶TiB∶TiC＝2∶6∶1)。
按照配比秤取海绵钛84.688％、铈4.669％、氧化硼1.167％、碳化硼1.857％和铝钒中间合金3.907％含78％V、铝丝3.712％，将其混合均匀后，利用压机压制成棒状电极，电极组焊后装入真空自耗电弧炉中，对真空自耗电弧炉抽真空，工作真空度为0.03Pa，然后利用真空自耗电弧炉进行熔炼，样品熔炼二次，最后随炉冷却，制得TiB、TiC和稀土氧化铈增强的钛基复合材料。该铸锭经过锻造和热处理后可制得棒材。本实施例可以制备耐磨性较好的多元增强钛基复合材料棒材。
实施例5制取29％(Nd2O3+TiB+TiC)/Ti复合材料(Nd2O3∶TiB∶TiC＝2∶11∶2)。
按照配比称取海绵钛87.087％、钕6.474％、氧化硼1.574％和碳化硼粉4.865％，将其混合均匀后，装入非自耗电弧炉中，对真空非自耗电弧炉抽真空，真空度控制在0.06Pa，然后进行真空熔炼，样品熔炼三次，最后随炉冷却，制得三元增强钛基复合材料。本实施例可以制备增强体含量最多的多元增强钛基复合材料。
权利要求
1.一种多元增强钛基复合材料的原位合成方法，其特征在于(1)称取海绵钛、碳化硼、稀土或含有稀土元素的中间合金、氧化硼和合金化元素，氧化硼含量为0～5％，稀土含量为0～24％，碳化硼含量为0～5％；(2)将海绵钛、反应物和合金化元素混合均匀，自耗电弧熔炼先压成电极，然后将电极组焊，装入真空非自耗电弧炉或真空自耗电弧炉中；(3)抽真空，真空度控制在1×10-3Pa～1Pa之间，加电压调整电流熔炼，熔炼次数大于或等于二次；(4)经凝固即获得多元多尺度增强的钛基复合材料。
2.根据权利要求1所述的多元增强钛基复合材料的原位合成方法，其特征是，原位自生增强体按下列反应进行。
3.根据权利要求1所述的多元增强钛基复合材料的原位合成方法，其特征是，增强体的体积分数和摩尔比以及基体合金成份可调，且增强体的总体积分数控制在30％之内。
4.根据权利要求1所述的多元增强钛基复合材料的原位合成方法，其特征是，稀土元素以纯金属方式加入，或者以中间合金的方式加入。
全文摘要
一种多元增强钛基复合材料的原位合成方法，用于材料制备领域。步骤如下称取海绵钛、碳化硼、稀土或含有稀土元素的中间合金、氧化硼和合金化元素，氧化硼含量为0～5％，稀土含量为0～24％，碳化硼含量为0～5％；将海绵钛、反应物和合金化元素混合均匀，自耗电弧熔炼先压成电极，然后将电极组焊，装入真空非自耗电弧炉或真空自耗电弧炉中；抽真空，真空度控制在1×10
文档编号C04B35/622GK1609048SQ20041006802
公开日2005年4月27日 申请日期2004年11月11日 优先权日2004年11月11日
发明者杨志峰, 吕维洁, 覃继宁, 徐栋, 张荻 申请人:上海交通大学