高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料及其制备方法与流程

本发明属于金属基复合材料制备技术领域，具体涉及一种高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料及其制备方法。

背景技术：

随着现代科学技术的飞速发展，许多工业领域对使用材料的综合性能提出了更高的要求。而传统单一基体的复合材料，如钛基复合材料，其性能存在极大的局限性，特别是在高温高压等极端的服役环境下往往存在重大的缺陷，已无法满足航空航天等领域的高韧性、耐磨性以及低密度使用要求。而多种不同物理化学性质的金属材料采用特殊的工艺技术复合在一起，形成了多金属的复合材料可以有效的克服了上述单一复合材料的缺点，呈现出优良的综合性能，以满足现代高技术发展中高温高压等极端的服役环境下的材料的服役要求。

钛基复合材料作为一种新型的金属基结构材料，呈现出许多优异的力学性能，具有重要的使用价值。例如美国dynamet技术公司开发的cermeti系列tic颗粒增强ti-6al-4v复合材料，已经成功的应用于半球形火箭壳体、导弹壳体以及航空发动机零件等。但是由于钛基复合材料的钛基体硬度低、增强体与钛基体结合能力的差异以及抗塑变剪切能力和表面抗氧化能力较差等原因，导致其耐磨性较差，严重影响钛基复合材料的服役寿命和使用范围。因此，设计研发一种新结构的耐磨损型钛基复合材料具有重要的工业化应用背景和重大产业升级的需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料。该钛基复合材料中复合用金属与钛或钛合金原位自生成的金属间化合物颗粒相、复合用金属依次呈套环状均匀连续地分布在钛或钛合金基体的表面，形成网状结构双金属钛基复合材料，利用复合用金属具有良好的自润滑效应以及金属间化合物颗粒相的分布强化效应，大大提高了双金属钛基复合材料的抗摩擦磨损性能和硬度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料，其特征在于，以钛或钛合金为基体，复合用金属与钛或钛合金基体原位自生的金属间化合物颗粒相、复合用金属依次呈套环状分布在钛或钛合金基体的表面，形成网状结构双金属钛基复合材料；所述复合用金属的硬度小于钛或钛合金基体的硬度，复合用金属的延展性大于钛或钛合金基体；所述网状结构中的网格平均等效直径不超过150μm，所述网状结构双金属钛基复合材料的维氏显微硬度较对应相同的钛或钛合金制备的钛基材料提高了40hv～70hv，平均摩擦系数降低了0.02～0.08。

本发明的双金属钛基复合材料以钛或钛合金为基体，该基体位于网状结构的网格中心部位，复合用金属与钛或钛合金原位自生的金属间化合物颗粒相、复合用金属依次呈套环状均匀连续地分布在钛或钛合金基体的表面，形成网状结构双金属钛基复合材料。本发明的双金属钛基复合材料中复合用金属呈套环状分布在钛或钛合金基体的表面外层并形成一定的网格结构，与金属间化合物颗粒相形成类似糖衣的多层结构，由于复合用金属具有优异的延展塑性，在抗摩擦磨损过程中呈现出良好的自润滑效应，因此，双金属钛基复合材料的抗摩擦磨损性能得到提高；而复合用金属与钛或钛合金基体原位自生的金属间化合物颗粒相呈套环状分布在钛或钛合金基体的表面并形成一定的网格结构，由于该金属间化合物颗粒相的硬度远远大于钛或钛合金基体以及复合用金属，且呈准纳米级不规则球状分布，从而进一步提高了双金属钛基复合材料的抗摩擦磨损性能，另外，该金属间化合物颗粒相位于钛或钛合金基体和复合用金属之间，提高了两者的复合紧密程度和结合强度，从而提高了双金属钛基复合材料的硬度。

上述的高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料，其特征在于，所述复合用金属为铜、镍、银、铝或锌；所述金属间化合物颗粒相为ti2cu、ti2ni、ti2ag、ti3al或ti2zn。上述优选的复合用金属种类具有高延伸塑性和低硬度，容易与钛或钛合金基体原位自生形成对应的金属间化合物颗粒相。

另外，本发明还提供了一种制备高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、粉体的选择：选用球形的钛粉末或钛合金粉末作为基体粉末，选择硬度小于基体粉末且延展性大于基体粉末的金属粉末作为复合用金属粉末；

步骤二、复合用金属粉末的预处理：将步骤一中选择的复合用金属粉末进行高能球磨处理，然后经筛分得到片状不规则复合用金属粉末；所述高能球磨处理的工艺参数为：转速400r/min～500r/min，球磨时间5h～8h，球料比不小于1.5:1；

步骤三、复合处理：将步骤一中选择的基体粉末和步骤二中得到的片状不规则复合用金属粉末放入行星球磨机中进行高能球磨复合处理，得到双金属钛基复合粉体；所述高能球磨复合处理的工艺参数为：转速400r/min～500r/min，球磨时间4h～8h，球料比不小于1.5:1，选用的磨球为直径4mm和8mm的不锈钢磨球，其中，直径8mm的不锈钢磨球和直径4mm的不锈钢磨球的质量比不超过3:1；

步骤四、烧结成型：将步骤三中得到的双金属钛基复合粉体放置于放电等离子烧结机中进行热压烧结，得到高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料。

本发明采用高能球磨处理产生的高能量将复合用金属粉末轰击成薄片层状，并经筛分得到片状不规则复合用金属粉末，然后通过物理法的高能球磨复合处理，使片状不规则复合用金属粉末包覆在基体粉末的周围，经烧结后，与基体粉末接触的复合用金属粉末与基体粉末中的钛原位自生成金属间化合物颗粒相，其余复合用金属粉末烧结成型后分布在金属间化合物颗粒相周围，得到网状结构双金属钛基复合材料。本发明的制备方法与现有技术中的化学包覆法相比，无需对原料进行清洗、敏化和活化等处理，工艺简单，可操作性强，同时减少了污染，降低了生产成本，适宜大规模产业化。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述基体粉末的球形度不小于0.8；所述基体粉末和复合用金属粉末的质量纯度均不小于99.9％。优选球形度不小于0.8的基体粉末有效保证了基体粉末表面的复合用金属粉末的包覆量，有利于网状结构双金属钛基复合材料的形成；而基体粉末和复合用金属粉末的优选质量纯度则避免了其它合金元素的污染，保证了后续放电等离子烧结过程中粉体之间的结合强度，避免夹杂等缺陷的出现，得到高致密度的网状结构双金属钛基复合材料，进一步保证了网状结构双金属钛基复合材料的高硬度和抗摩擦磨损性能。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述基体粉末和复合用金属粉末的粒径比不小于1.5:1，硬度比不小于12:7，质量比不大于5:1。上述优选性能的基体粉末和复合用金属粉末进一步保证了复合用金属粉末在基体粉末表面的包覆量，同时节省了复合金属粉末的用量，降低了生产成本。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述复合用金属粉末为片状粉末。优选的片状复合用金属粉末有利于复合用金属粉末在基体粉末表面的有效包覆，形成双金属钛基复合粉体。

上述的方法，其特征在于，步骤四中所述热压烧结的工艺参数为：烧结温度900℃～1100℃，烧结时间5min～8min，烧结压力60mpa～80mpa。上述优选工艺参数进一步提高了高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料的内部结合强度和致密度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的双金属钛基复合材料中复合用金属与钛或钛合金原位自生成的金属间化合物颗粒相、复合用金属依次呈套环状均匀连续地分布在钛或钛合金基体的表面，形成网状结构双金属钛基复合材料，利用复合用金属具有良好的自润滑效应以及金属间化合物颗粒相的分布强化效应，大大提高了双金属钛基复合材料的抗摩擦磨损性能。

2、本发明的双金属钛基复合材料中金属间化合物颗粒相位于钛或钛合金基体和复合用金属之间，提高了两者的复合紧密程度和结合强度，从而提高了双金属钛基复合材料的硬度。

3、本发明双金属钛基复合材料中复合用金属与钛或钛合金原位自生的金属间化合物颗粒相、复合用金属依次呈套环状均匀连续地分布在钛或钛合金基体的表面，形成网状结构双金属钛基复合材料，有效隔绝了钛基颗粒与复合用金属中碳素增强体的接触，从而抑制了钛基颗粒与碳素增强体之间的原位自生碳化钛反应，进一步保证了双金属钛基复合材料的力学性能。

4、本发明采用物理法的高能球磨复合处理制备双金属钛基复合粉体，经烧结后得到网状结构双金属钛基复合材料，与现有技术中的化学包覆法相比，无需对原料进行清洗、敏化和活化等处理，工艺简单，可操作性强，同时减少了污染，降低了生产成本，适宜大规模产业化。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料的微观组织结构示意图。

图2是本发明实施例1制备的高硬度耐磨型网状结构ti-cu双金属钛基复合材料的扫描电镜图。

图3是本发明实施例3制备的高硬度耐磨型网状结构ti-ni双金属钛基复合材料的扫描电镜图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例1～实施例4中高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料的微观组织结构为：以钛或钛合金为基体，复合用金属与钛或钛合金原位自生的金属间化合物颗粒相、复合用金属依次呈套环状分布在钛或钛合金基体的表面，形成网状结构双金属钛基复合材料。

实施例1

本实施例高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料以ct20钛合金为基体，铜与ct20钛合金原位自生成的金属间化合物ti2cu颗粒相、铜依次呈套环状均匀连续地分布在ct20钛合金基体的表面，形成网状结构ti-cu双金属钛基复合材料；所述网状结构中的网格平均等效直径为150μm。

本实施例高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一、粉体的选择：选用100g粒径为80目～120目、莫氏硬度为6.0、球形度为0.8的球形ct20钛合金粉末作为基体粉末，选择100g粒径为120目～180目、莫氏硬度为2.5的片状铜粉作为复合用金属粉末；所述球形ct20钛合金粉末的质量纯度为99.99％，所述片状铜粉的质量纯度为99.95％；

步骤二、复合用金属粉末的预处理：将步骤一中选择的片状铜粉进行高能球磨处理，然后经筛分得到片状不规则复合用铜粉；所述高能球磨处理的工艺参数为：转速400r/min，球磨时间8h，球料比1.5:1，高能球磨处理采用的磨球由质量比为1:2的直径8mm不锈钢磨球与直径4mm不锈钢磨球组成；

步骤三、复合处理：将100g步骤一中选择的ct20钛合金粉末和步骤二中得到的片状不规则复合用铜粉放入行星球磨机中进行高能球磨复合处理，得到双金属钛基复合粉体；所述高能球磨复合处理的工艺参数为：转速400r/min，球磨时间8h，球料比2:1，高能球磨复合处理采用的磨球由质量比为2:1的直径8mm不锈钢磨球与直径4mm不锈钢磨球组成；

步骤四、烧结成型：将步骤三中得到的双金属钛基复合粉体进行筛分，得到粒径为100目～150目的双金属钛基复合粉体并将其放置于放电等离子烧结机中进行热压烧结，得到直径为60mm、高度为9.5mm的圆柱形高硬度耐磨型网状结构ti-cu双金属钛基复合材料；所述热压烧结的工艺参数为：烧结温度900℃，烧结时间8min，烧结压力60mpa。

图2是本实施例制备的高硬度耐磨型网状结构ti-cu双金属钛基复合材料的扫描电镜图，从图2可以看出，本实施例制备的高硬度耐磨型网状结构ti-cu双金属钛基复合材料中，ct20钛合金基体位于网孔的中心位置，ct20钛合金基体组织为钛合金中典型的魏氏组织，由粗板条状α相和晶间β转变组织组成，金属铜与ct20钛合金原位自生成的金属间化合物ti2cu颗粒相均匀连续地分布在ct20钛合金基体的表面，而金属铜不连续地分布在ti2cu颗粒相中间，形成网状结构ti-cu双金属钛基复合材料。

本实施例高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料中的复合用金属还可以为锌或铝，对应金属间化合物颗粒相为ti3al或ti2zn；

本实施例高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料的制备方法中采用的复合用金属粉末还可为锌粉或铝粉。

对比例1

本对比例的钛基材料以ct20钛合金粉体为原料，具体制备过程为：将100g粒径为80目～120目、莫氏硬度为6.0、球形度为0.8的球形ct20钛合金粉体放置于放电等离子烧结机上进行热压烧结，得到直径为60mm、高度为8mm的钛基材料；所述ct20钛合金粉末的质量纯度为99.99％，所述热压烧结的工艺参数为：烧结温度900℃，烧结时间8min，烧结压力60mpa。

实施例2

本实施例高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料以ct20钛合金为基体，铜与ct20钛合金原位自生成的金属间化合物ti2cu颗粒相、铜依次呈套环状均匀连续地分布在ct20钛合金基体的表面，形成网状结构ti-cu双金属钛基复合材料；所述网状结构中的网格平均等效直径为80μm。

本实施例高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一、粉体的选择：选用120g粒径为150目～200目、莫氏硬度为6.0、球形度为0.9的球形ct20钛合金粉末作为基体粉末，选择80g粒径为150目～200目、莫氏硬度为2.5的片状铜粉作为复合用金属粉末；所述球形ct20钛合金粉末的质量纯度为99.9％，所述片状铜粉的质量纯度为99.9％；

步骤二、复合用金属粉末的预处理：将步骤一中选择的片状铜粉进行高能球磨处理，然后经筛分得到片状不规则复合用铜粉；所述高能球磨处理的工艺参数为：转速450r/min，球磨时间6h，球料比3:1，高能球磨处理采用的磨球由质量比为1:1的直径8mm不锈钢磨球与直径4mm不锈钢磨球组成；

步骤三、复合处理：将120g步骤一中选择的ct20钛合金粉末和步骤二中得到的片状不规则复合用铜粉放入行星球磨机中进行高能球磨复合处理，得到双金属钛基复合粉体；所述高能球磨复合处理的工艺参数为：转速500r/min，球磨时间7h，球料比3:1，高能球磨复合处理采用的磨球由质量比为3:1的直径8mm不锈钢磨球与直径4mm不锈钢磨球组成；

步骤四、烧结成型：将步骤三中得到的双金属钛基复合粉体进行筛分，得到粒径为150目～200目的双金属钛基复合粉体并将其放置于放电等离子烧结机中进行热压烧结，得到直径为60mm、高度为13mm的圆柱形高硬度耐磨型网状结构ti-cu双金属钛基复合材料；所述热压烧结的工艺参数为：烧结温度1000℃，烧结时间6min，烧结压力70mpa。

对比例2

本对比例的钛基材料以ct20钛合金粉体为原料，具体制备过程为：将120g粒径为100目～150目、莫氏硬度为6.0、球形度为0.9的球形ct20钛合金粉末放置于放电等离子烧结机上进行热压烧结，得到直径为60mm、高度为9.5mm的钛基材料；所述ct20钛合金粉末的质量纯度为99.99％，所述热压烧结的工艺参数为：烧结温度1000℃，烧结时间6min，烧结压力70mpa。

实施例3

本实施例高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料以ct20钛合金为基体，镍与ct20钛合金原位自生成的金属间化合物ti2ni颗粒相、镍依次呈套环状均匀连续地分布在ct20钛合金基体的表面，形成网状结构ti-ni双金属钛基复合材料；所述网状结构中的网格平均等效直径为120μm。

本实施例高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一、粉体的选择：选用100g粒径为100目～150目、莫氏硬度为6.2、球形度为1.0的球形ct20钛合金粉末作为基体粉末，选择50g粒径为200目～300目、莫氏硬度为3.5的片状镍粉作为复合用金属粉末；所述球形ct20钛合金粉末的质量纯度为99.99％，所述片状镍粉的质量纯度为99.95％；

步骤二、复合用金属粉末的预处理：将步骤一中选择的片状镍粉进行高能球磨处理，然后经筛分得到片状不规则复合用镍粉；所述高能球磨处理的工艺参数为：转速500r/min，球磨时间5h，球料比2:1，高能球磨处理采用的磨球由质量比为1:3的直径8mm不锈钢磨球与直径4mm不锈钢磨球组成；

步骤三、复合处理：将100g步骤一中选择的ct20钛合金粉末和步骤二中得到的片状不规则复合用镍粉放入行星球磨机中进行高能球磨复合处理，得到双金属钛基复合粉体；所述高能球磨复合处理的工艺参数为：转速450r/min，球磨时间4h，球料比4:1，高能球磨复合处理采用的磨球由质量比为1:1的直径8mm不锈钢磨球与直径4mm不锈钢磨球组成；

步骤四、烧结成型：将150g步骤三中得到的双金属钛基复合粉体进行筛分，得到100目～150目双金属钛基复合粉体并将其放置于放电等离子烧结机中进行热压烧结，得到直径为60mm、高度为11.5mm的圆柱形高硬度耐磨型网状结构ti-ni双金属钛基复合材料；所述热压烧结的工艺参数为：烧结温度1100℃，烧结时间5min，烧结压力80mpa。

图3是本实施例制备的高硬度耐磨型网状结构ti-ni双金属钛基复合材料的扫描电镜图，从图3可以看出，本实施例制备的高硬度耐磨型网状结构ti-ni双金属钛基复合材料中，ct20钛合金基体位于网孔的中心位置，ct20钛合金基体组织为钛合金中典型的片层组织，由细小针状α相和晶间β转变组织组成，镍与ct20钛合金原位自生成的金属间化合物ti2ni颗粒相均匀连续地分布在ct20钛合金基体的表面，而镍连续地分布在ti2ni颗粒相中间，形成网状结构ti-ni双金属钛基复合材料。

对比例3

本对比例的钛基材料以ct20粉体为原料，具体制备过程为：将150g粒径为100目～150目、莫氏硬度为6.0的球形ct20粉体放置于放电等离子烧结机上进行热压烧结，得到直径为60mm、高度为9.5mm的钛基材料；所述ct20钛合金粉末的质量纯度为99.99％，所述热压烧结的工艺参数为：烧结温度1100℃，烧结时间5min，烧结压力80mpa。

实施例4

本实施例高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料以ta1纯钛为基体，银与ta1纯钛原位自生的金属间化合物ti2ag颗粒相、银依次呈套环状均匀连续地分布在ta1纯钛基体的表面，形成网状结构ti-ag双金属钛基复合材料；所述网状结构中的网格平均等效直径为110μm。

本实施例高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一、粉体的选择：选用100g粒径为100目～150目、莫氏硬度为6.0、球形度为0.8的球形ta1纯钛粉末作为基体粉末，选择20g粒径为200目～300目、莫氏硬度为2.5的片状银粉作为复合用金属粉末；所述球形ta1纯钛粉末的质量纯度为99.99％，所述片状银粉的质量纯度为99.95％；

步骤二、复合用金属粉末的预处理：将步骤一中选择的片状银粉进行高能球磨处理，然后经筛分得到片状不规则复合用银粉；所述高能球磨处理的工艺参数为：转速400r/min，球磨时间6h，球料比1.5:1，高能球磨处理采用的磨球由质量比为1:2的直径8mm不锈钢磨球与直径4mm不锈钢磨球组成；

步骤三、复合处理：将100g步骤一中选择ta1纯钛粉末和步骤二中得到的片状不规则复合用银粉放入行星球磨机中进行高能球磨复合处理，得到双金属钛基复合粉体；所述高能球磨复合处理的工艺参数为：转速400r/min，球磨时间5h，球料比1.5:1，高能球磨复合处理采用的磨球由质量比为2:1的直径8mm不锈钢磨球与直径4mm不锈钢磨球组成；

步骤四、烧结成型：将步骤三中得到的双金属钛基复合粉体进行筛分，得到100目～150目双金属钛基复合粉体并将其放置于放电等离子烧结机中进行热压烧结，得到直径为60mm、高度为9.5mm的圆柱形高硬度耐磨型网状结构ti-ag双金属钛基复合材料；所述热压烧结的工艺参数为：烧结温度900℃，烧结时间8min，烧结压力80mpa。

对比例4

本对比例的钛基材料以ta1纯钛粉末为原料，具体制备过程为：将100g粒径为100目～150目、莫氏硬度为6.0的球形ta1纯钛粉末放置于放电等离子烧结机上进行热压烧结，得到直径为60mm、高度为8mm的钛基材料；所述ta1纯钛粉末的质量纯度为99.99％，所述热压烧结的工艺参数为：烧结温度900℃，烧结时间8min，烧结压力80mpa。

维氏显微硬度及摩擦磨损性能测试：采用维氏显微硬度仪和摩擦磨损试验机对本发明实施例1～实施例4制备的网状结构双金属钛基复合材料及对比例1～对比例4制备的钛基材料进行显微硬度和磨损性能测试，结果如下表1所示。

表1实施例1～实施例4制备的网状结构双金属钛基复合材料及对比例1～对比例4制备的钛基材料的维氏显微硬度及摩擦磨损性能结果

从表1可知，本发明实施例1～4制备的网状结构双金属钛基复合材料的维氏显微硬度较对应的对比例1～对比例4制备的钛基材料的维氏显微硬度提高了近40hv～70hv，且实施例1～4制备的网状结构双金属钛基复合材料的平均摩擦系数较对应的对比例1～对比例4制备的钛基材料的平均摩擦系数降低了近0.02～0.08，实施例1～4制备的网状结构双金属钛基复合材料的磨损量均低于对应的对比例1～对比例4制备的钛基材料，说明本发明的网状结构双金属钛基复合材料利用复合用金属具有良好的自润滑效应以及金属间化合物颗粒相的强化效应，大大提高了双金属钛基复合材料的抗摩擦磨损性能，且金属间化合物颗粒相位于钛或钛合金基体和复合用金属之间，提高了两者的复合紧密程度和结合强度，从而提高了双金属钛基复合材料的强度，因而本发明制备的网状结构双金属钛基复合材料具有优异的强度和抗磨损性性能，满足航空航天等领域高温高压等极端的服役环境下高韧性、耐磨性以及低密度使用要求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。