专利名称：真空热压反应自生钛基复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种钛基复合材料的制备方法，具体涉及一种通过钛和碳化硼反应自生增强体为硼化钛晶须和碳化钛颗粒增强钛基复合材料的制备方法。
背景技术：
金属基复合材料由于具有金属的特性、还具有高比强、高比刚、耐热、耐磨的综合性能而受到广泛重视。在这些复合材料中，钛及钛合金具有比重轻、耐腐蚀、耐氧化强度高等特点，是一种可在450～650℃条件下使用的合金而受到青睐。钛基复合材料比Al、Mg基复合材料有更好的耐高温性能，已引起人们的关注。钛基复合材料(TMCs)成为超高音速宇航飞行器和下一代先进航空发动机的候选材料。TMCs大致可分为纤维和颗粒增强两类。纤维增强TMCs由于制造工艺复杂，价格昂贵，发展受到限制，仅少量用于航空航天工业部门。颗粒增强钛基复合材料与纤维增强钛基复合材料相比，具有使用的颗粒增强相成本低，性能和功能的可设计性强，制造工艺技术相对经济简单可行，所制备的材料具有各向同性，可得到近终型零件等优点。颗粒增强相的加入有效地提高了钛合金的常温和高温比弹性模量、比强度和蠕变抗力。但这种钛合金材料的塑性、韧性下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种真空热压反应自生钛基复合材料的制备方法，该方法将纤维增强钛基复合材料的制备工艺和颗粒增强钛基复合材料的制备工艺简化为一体，既克服了纤维增强钛基复合材料制备工艺复杂、价格昂贵的缺点又解决了颗粒增强钛基复合材料塑性、韧性下降的不足，具有方法简单、制作容易，制作的钛基复合材料更加致密、增强体分布均匀、质量高的特点。本发明的方法其步骤为(1)混粉首先将Ti粉和B4C粉按重量比配好放入罐中，在罐中再加入钢球，将罐密封后在行星式球磨机上混合均匀，混合时间为10-14小时；(2)真空烧结将混合好的粉末装入石墨模具进行冷压，再进行真空热压烧结，烧结前在500-800℃条件下除气0.4-1小时，然后进行烧结，烧结温度为1000-1250℃，烧结压力为15-25MPa，烧结时间为0.4-1小时；(3)热挤压将烧结后的复合材料和挤压模具分开加热，复合材料单独加热至800-1400℃，保温一小时后放入保温温度为650℃的挤压模具中进行挤压，挤压比为16∶1，挤压成形即可。所述Ti粉和B4C粉的重量比为160∶1；所述Ti粉和B4C的重量比为100∶1；所述Ti粉和B4C粉的重量比为50∶1；所述Ti粉的粒度为1-50μm；所述B4C粉的粒度为1-10μm；所述钢球的直径为5-20mm；所述钢球与Ti粉和B4C粉的球料比为1∶1；本发明将纤维增强钛基复合材料的制备工艺和颗粒增强钛基复合材料的制备工艺简化为一体，既克服了纤维增强钛基复合材料制备工艺复杂、价格昂贵的缺点又解决了颗粒增强钛基复合材料塑性、韧性下降的不足，具有方法简单、制作容易，制作的钛基复合材料更加致密、增强体分布均匀、质量高的优点。从而提高了其作为结构材料的使用性能。
图1是试验Ti-B4C混合物的DSC曲线图。
具体实施例方式本实施方式是这样实现的(1)混粉首先将Ti粉和B4C粉按重量比配好放入罐中，在罐中再加入钢球，将罐密封后在行星式球磨机上混合均匀，混合时间为10-14小时；最佳混合时间为12小时，(2)真空烧结将混合好的粉末装入石墨模具进行冷压，再进行真空热压烧结，烧结前在500-800℃条件下除气0.4-1小时，最佳除气温度为800℃；然后进行烧结，烧结温度为1000-1250℃，最佳烧结温度为1200℃；烧结压力为15-25MPa，烧结时间为0.4-1小时；(3)热挤压将烧结后的复合材料和挤压模具分开加热，复合材料单独加热至800-1400℃，最佳热挤压加热温度为1150℃；保温一小时后放入保温温度为650℃的挤压模具中进行挤压，挤压比为16∶1，挤压成形即可。所述Ti粉和B4C粉的重量比为160∶1；所述Ti粉和B4C的重量比为100∶1；所述Ti粉和B4C粉的重量比为50∶1；所述Ti粉的粒度为1-50μm；所述B4C粉的粒度为1-10μm；所述钢球的直径为5-20mm；所述钢球与Ti粉和B4C粉的球料比为1∶1。
为了确定B4C和Ti的反应最佳温度，试验了Ti-B4C混合物的DSC曲线(见图1)。可以看出，Ti和B4C的反应从900℃时开始出现放热，说明金属Ti开始与B4C发生化学反应。随着温度的升高，放热峰到1000℃达到最大，可以认为此时Ti和B4C反应最剧烈，到1250℃结束。为了使Ti和B4C粉完全反应，烧结温度选择为1200℃。TiB晶须在钛基体中均匀生成，晶须直径只有大约0.075～0.3μm，长度大约为0.3～30μm。TiC颗粒也在钛基体中均匀生成。热压采用石墨模具。热挤压时用的挤压模具，挤压筒采用3Cr2W8V材料，凹模、压头和底盘采用GCr15材料。因为钛基复合材料在常温下塑性较差、脆性大，不容易进行塑性加工，所以热变形是非连续增强钛基复合材料主要的变形方式之一。最佳热挤压工艺1150℃，保温1小时，挤压比16∶1。钛在低于882℃时，是密排六方结构，滑移系比较少，变形比较困难。在热挤压时，将材料加热到1150℃，钛处于体心立方结构，滑移系比较多，塑性变形比较容易。但如果温度过高，晶粒容易长大，因此，采用合适的挤压温度，对于制备好的材料至关重要。烧结态材料的密度随着增强体的体积分数增加而降低，这是因为随着增强体的体积分数增加，增强体与基体的界面面积增加，从而使界面接触“松散”程度增加。在热挤压后，材料的孔隙率减少，基本上接近理论密度。合适的热挤压工艺参数可以获得比较理想的材料。通过对挤压态混杂增强复合材料在沿挤压方向(纵向)和垂直于挤压方向(横向)的显微组织分析，经高温挤压变形后，其组织结构的最明显特点是晶须产生了沿挤压方向的定向排列。烧结态的复合材料经热挤压变形后，材料更加致密，增强体分布均匀，从而能获得更优良的组织结构，提高了其作为结构材料的使用性能。研究结果表明，Ti粉完全与B4C反应生成TiC和TiB，短纤维状的晶须为TiB，而等轴状或近似等轴状粒子为TiC。通过设计合理的挤压模具及适当的挤压工艺，即可成功地挤压出高质量的钛基复合材料。
权利要求
1.真空热压反应自生钛基复合材料的制备方法，其特征在于其步骤为(1)混粉首先将Ti粉和B4C粉按重量比配好放入罐中，在罐中再加入钢球，将罐密封后在行星式球磨机上混合均匀，混合时间为10-14小时；(2)真空烧结将混合好的粉末装入石墨模具进行冷压，再进行真空热压烧结，烧结前在500-800℃条件下除气0.4-1小时，然后进行烧结，烧结温度为1000-1250℃，烧结压力为15-25MPa，烧结时间为0.4-1小时；(3)热挤压将烧结后的复合材料和挤压模具分开加热，复合材料单独加热至800-1400℃，保温一小时后放入保温温度为650℃的挤压模具中进行挤压，挤压比为16∶1，挤压成形即可。
2.根据权利要求1所述的真空热压反应自生钛基复合材料的制备方法，其特征在于所述Ti粉和B4C粉的重量比为160∶1或100∶1或50∶1。
3.根据权利要求1或2所述的真空热压反应自生钛基复合材料的制备方法，其特征在于所述Ti粉的粒度为1-50μm。
4.根据权利要求1或2所述的真空热压反应自生钛基复合材料的制备方法，其特征在于所述B4C粉的粒度为1-10μm。
5.根据权利要求1所述的真空热压反应自生钛基复合材料的制备方法，其特征在于所述钢球的直径为5-20mm。
6.根据权利要求1所述的真空热压反应自生钛基复合材料的制备方法，其特征在于所述钢球与Ti粉和B4C粉的球料比为1∶1。
7.根据权利要求1所述的真空热压反应自生钛基复合材料的制备方法，其特征在于混合时间为12小时。
8.根据权利要求1所述的真空热压反应自生钛基复合材料的制备方法，其特征在于除气温度为800℃。
9.根据权利要求1所述的真空热压反应自生钛基复合材料的制备方法，其特征在于烧结温度为1200℃。
10.根据权利要求1所述的真空热压反应自生钛基复合材料的制备方法，其特征在于热挤压的加热温度为1150℃。
全文摘要
真空热压反应自生钛基复合材料的制备方法，它涉及一种钛基复合材料的制备方法。本发明首先将Ti粉和B
文档编号B22F3/12GK1605414SQ20041004396
公开日2005年4月13日 申请日期2004年10月22日 优先权日2004年10月22日
发明者耿林, 郑镇洙, 王桂松, 周伟民, 张雪囡 申请人:哈尔滨工业大学