一种增强相定向排布钛基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及有色金属加工，具体涉及一种增强相定向排布钛基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、钛合金，尤其是高温钛合金，因其密度小、耐腐蚀，具有较高的高温力学性能和高温蠕变抗力，可作为现代航空发动机用耐高温结构材料。高温钛基复合材料由于优异的力学性能在航空航天领域应用前景广阔，特别是近α钛基复合材料成为近年研究热点。但随着使用温度提升，由于其本身热强性及热稳定难以平衡问题，致使其存在650℃热障温度，限制其应用发展。

2、原位自生的tib晶须具有弹性模量高，物理性质与钛合金相近，热力学相容性好等特点，作为常用的增强相。但以往粉末冶金制备的增强相均匀分布的钛基复合材料，虽然强度得到一定的提升，但塑性大幅下降。公开号cn101333607a的发明专利提出提出tibw/ti合金基复合材料的制备方法，根据晶界强化理论设计tibw/ti合金基复合材料，tib晶须所形成的纤维网状结构能够在提升性能的同时使其塑性损失降低。

3、对烧结态非连续增强钛基复合材料进行二次热变形加工处理，如：锻造、轧制和挤压等，不仅可以有效地减少铸态或烧结态复合材料制备过程中产生的缺陷，提高材料致密度，还可以细化基体微观组织，改善增强体分布状态等，从而提升复合材料综合力学性能。与其他热变形方法相比，热锻造被认为是提高复合材料性能的最优加工方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种增强相定向排布钛基复合材料及其制备方法，解决现有钛合金使用温度难以超过600℃的瓶颈，传统钛基复合材料强化效果不佳的问题。

2、本发明的技术方案是：

3、一种增强相定向排布钛基复合材料，该复合材料锻造后的基体组织由片层状α和转变β组织组成，且tibw增强相沿锻造方向呈线状定向排列、分布均匀。

4、所述的增强相定向排布钛基复合材料，α片层的宽度为0.5～5μm，长度为5～30μm，tibw增强相的体积分数为2～8％。

5、所述的增强相定向排布钛基复合材料，该复合材料的密度≤4.6g/cm3，室温下拉伸强度≥1200mpa，700℃下拉伸强度≥500mpa。

6、所述的增强相定向排布钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

7、步骤一、按照设计的tibw体积分数换算出所需原位反应物粉末与钛合金粉末的配比并进行称量，得到原料粉末；原位反应粉末具体是指b粉或tib2粉，钛合金粉末为球形钛合金粉末，球形钛合金粉末名义成分为ti-6al-2.8sn-4zr-0.4mo-0.5si；

8、步骤二、将原料粉末在高纯ar保护气氛下使用行星球磨机进行球磨，得到球磨后的粉末；

9、步骤三、采用真空热压烧结炉对球磨后的粉末进行热压烧结，得到致密的钛基复合材料；

10、步骤四、采用液压机对所制备的钛基复合材料进行单向锻造，获得增强相定向排布钛基复合材料。

11、所述的增强相定向排布钛基复合材料的制备方法，步骤一中，tibw体积分数为2～8％，原位反应物粉末尺寸为0.5～3μm，粉末形貌是不规则的颗粒，球形钛合金粉末直径为75～200μm。

12、所述的增强相定向排布钛基复合材料的制备方法，步骤二中，球磨速度为150～250r/min，球磨时间为3～5h，球料质量比为5:1。

13、所述的增强相定向排布钛基复合材料的制备方法，步骤三中，粉末烧结最高温度为1000～1300℃，烧结压力为20～50mpa，烧结时间为0.5～2h。

14、所述的增强相定向排布钛基复合材料的制备方法，步骤三中，获得的致密钛基复合材料具有网状结构tibw/ti，网状结构为tib晶须位于原始β晶界处。

15、所述的增强相定向排布钛基复合材料的制备方法，步骤四中，单向锻造温度为1000～1200℃，应变速率为0.1～2s-1，变形量为40％～60％。

16、本发明的设计思想是：

17、本发明利用增强相呈准连续网状分布的特点，解决粉末冶金法制备钛基复合材料脆性大的瓶颈问题，在细化材料组织的同时，保持了基体的连通性，实现了材料强塑性的协同提升。而在此基础上的单向锻造可以发挥材料的塑性获得大变形量，进一步细化晶粒及组织，并通过调控增强相的分布情况，进一步提高钛基复合材料的增强与增韧效果。定向分布的tibw与基体仍保持较好的结合，发挥着较好的承担载荷作用，使复合材料的力学性能得到提升。

18、本发明的优点及有益效果是：

19、与现有网状钛基复合材料相比，本发明提升了增强相含量，获得了具有高长径比的增强相，通过锻造工艺，改善了增强相分布，实现了室温强度和高温强度的同步提升，提升了材料的综合力学性能。

技术特征：

1.一种增强相定向排布钛基复合材料，其特征在于，该复合材料锻造后的基体组织由片层状α和转变β组织组成，且tibw增强相沿锻造方向呈线状定向排列、分布均匀。

2.按照权利要求1所述的增强相定向排布钛基复合材料，其特征在于，α片层的宽度为0.5～5μm，长度为5～30μm，tibw增强相的体积分数为2～8％。

3.按照权利要求1所述的增强相定向排布钛基复合材料，其特征在于，该复合材料的密度≤4.6g/cm3，室温下拉伸强度≥1200mpa，700℃下拉伸强度≥500mpa。

4.一种权利要求1至3之一所述的增强相定向排布钛基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.按照权利要求1所述的增强相定向排布钛基复合材料及其制备方法，其特征在于，步骤一中，tibw体积分数为2～8％，原位反应物粉末尺寸为0.5～3μm，粉末形貌是不规则的颗粒，球形钛合金粉末直径为75～200μm。

6.按照权利要求1所述的增强相定向排布钛基复合材料及其制备方法，其特征在于，步骤二中，球磨速度为150～250r/min，球磨时间为3～5h，球料质量比为5:1。

7.按照权利要求1所述的增强相定向排布钛基复合材料及其制备方法，其特征在于，步骤三中，粉末烧结最高温度为1000～1300℃，烧结压力为20～50mpa，烧结时间为0.5～2h。

8.按照权利要求7所述的增强相定向排布钛基复合材料及其制备方法，其特征在于，步骤三中，获得的致密钛基复合材料具有网状结构tibw/ti，网状结构为tib晶须位于原始β晶界处。

9.按照权利要求1所述的增强相定向排布钛基复合材料及其制备方法，其特征在于，步骤四中，单向锻造温度为1000～1200℃，应变速率为0.1～2s-1，变形量为40％～60％。

技术总结
本发明涉及有色金属加工技术领域，具体涉及一种增强相定向排布钛基复合材料及其制备方法。该方法包括以下步骤：步骤一、按照设计的TiBw体积分数换算出所需原位反应物粉末与钛合金粉末的配比并进行称量，得到原料粉末；步骤二、将原料粉末在高纯Ar保护气氛下使用行星球磨机进行球磨，得到球磨后的粉末；步骤三、采用真空热压烧结炉对球磨后的粉末进行热压烧结，得到致密的钛基复合材料；步骤四、采用液压机对所制备的钛基复合材料进行单向锻造，获得多级多尺度钛基复合材料。本发明复合材料锻造后的基体组织由片层状α和转变β组织组成，且TiBw增强相沿锻造方向呈线状定向排列、分布均匀，获得具有优异力学性能的钛基复合材料。

技术研发人员：张宏伟,崔喜平,庞景宇,汤广全,张财伟,曹楠,程陆凡,纪宇,刘文强
受保护的技术使用者：佛山汇真科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19