一种原位自生TiC-Ti5Si3颗粒增强钛基复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钛基复合材料领域，具体是一种原位自生TiC-Ti5Si3颗粒增强钛基复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]钛基复合材料(TMCs)是一种新型轻质结构材料，它具有低密度、高比强、以及优异的疲劳和蠕变性能，有望做为结构材料在新一代航空航天飞行器、主战坦克以及先进汽车耐热部件中获得广泛应用。然而钛基复合材料室温塑性和韧性差，600°C高温蠕变抗力低等问题限制了它的实际应用。
[0003]据报道，原位自生颗粒增强钛基复合材料兼有钛合金和陶瓷颗粒的优点，是提高钛基复合材料室温塑性和高温强度的重要方法。与传统外加法制备的钛基复合材料相比较，原位自生的钛基复合材料具有增强相与钛合金基体相容性好、稳定性高、界面干净等优点。TiC和Ti5Si3颗粒具有较优异的性能，如弹性模量高，热稳定好，并且与钛合金基体有着良好的相容性，高温稳定性及抗氧化性能优异等。因此，自上世纪90年代以来，国内外对原位自生TiC增强钛基复合材料的制备工艺进行了较多的研究。
[0004]钛基复合材料的制备方法有多种，如自耗电极熔炼法、粉末冶金法、等离子烧结法、自蔓延高温合成法等，这些方法要么熔炼前多次制备电极，要么涉及粉末制备过程，不可避免地遭受油性介质及气体的污染;另外，这些制备方法制得的复合材料成分偏析严重、致密性低、性能差，通常需要后续二次加工处理，工序繁琐，能耗巨大，增加了生产成本。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:如何解决现有钛基复合材料成分偏析严重、致密性低、室温塑性及高温强度低、工艺复杂，能耗大成本高的问题。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种原位自生TiC_Ti5Si3颗粒增强钛基复合材料的制备方法，该原位自生T i C - T i 5 S i 3是一种新型混杂增强钛基复合材料，该原位自生T i C -Ti5Si3颗粒增强钛基复合材料中TiC-Ti5Si3颗粒质量占总质量的0.57%?22.8%，按照如下的步骤进行:
步骤一、根据制备完成后TiC-Ti5Si3颗粒总质量，钛粉和碳化硅粉的摩尔比为5:1?10:1，计算合成TiC-Ti5Si3颗粒所需的钛粉和碳化硅粉质量，将钛粉粉碎成直径为20?60μπι的颗粒，将碳化硅粉粉碎成直径为0.05?1 Ομπι，在球料机中使用球料质量比为10:1?20:1混合均匀备用；
步骤二、根据制备完成后钛基复合材料基体合金总质量，计算所需材料量，钛基复合材料基体合金按元素质量百分比含5%?7%的Al、0-4%的Sn，0-5%的Zr，0.5%?3%的Μο，0~2%的他，余量为钛和不可避免的杂质组成，首先计算后称量311、2^10、他材料，由于熔炼的Sn、Zr、Mo、Nb—般是以合金形式加入，以纯金属或者招合金或者钛合金的形式准备Sn、Zr、Mo、Nb合金，剩余铝的量以纯铝的形式准备，剩余钛的量以海绵钛的形式准备，原材料中纯钛以海绵钛形式加入有利于最终合金的力学的性能；
步骤三、按照质量百分比首先向氧化钇陶瓷坩祸内装入30%?50%步骤二准备的海绵钛，然后依次装入40%?60%步骤二准备的Sn、Zr、Mo、Nb纯金属及合金、5%?10%步骤二准备的海绵钛、30%?40%步骤一准备的钛粉和碳化硅粉，5%?10%步骤二准备的海绵钛、剩余步骤二准备的Sn、Zr、Mo、Nb纯金属及合金、5%?10%步骤二准备的海绵钛、剩余的步骤一准备的钛粉和碳化硅粉、剩余步骤二准备的海绵钛，最后装入步骤二准备的纯铝，按照顺序的添加能够增强最终合金的力学性能，并且减少了复合材料成分偏析；
步骤四、将氧化钇陶瓷坩祸放入真空感应熔炼炉中，抽真空至真空度为7 X 10-3Pa?10-2Pa后开始熔炼，缓慢熔化，完全熔化后保温3min?8min，将熔体浇注到预热温度为400°0500°C的金属型模具中，冷却后即制得原位自生TiC-Ti5Si3颗粒增强钛基复合材料。
[0007]作为一种优选方式:步骤二中，钛基复合材料基体合金成份为T1-6.2Al-3Sn-4Zr-0.8Nb-2Mo，计算并准备纯锡、海绵锆、铝铌中间合金和铝钼中间合金，然后再准备海绵钛和纯铝。
[0008]作为一种优选方式:步骤二中，钛基复合材料基体合金成份为T1-5Al-2Sn-3Zr-lNb-0.8Mo，计算并准备纯锡、海绵锆、铝铌中间合金和铝钼中间合金，然后再准备海绵钛和纯铝。
[0009]本发明的有益效果是:本发明可简便、低成本制备出成分均匀、性能优良、高致密度的新型原位自生钛基复合材料，并且可适用于大批量的工业化生产。
【具体实施方式】
[0010]实施例1
本实施例中以 TiC-Ti5Si3 颗粒增强 T1-6.2Al-3Sn_4Zr-0.8Nb_2Mo，TiC_Ti5Si3 占总质量的10%。
[0011]计算并准备海绵钛、纯铝块、钛粉、碳化硅粉、纯锡、海绵锆、铝铌中间合金和铝钼中间合金。钛粉与碳化娃粉的摩尔比为6:1，称取粒度为45μηι钛粉和粒度为5μηι的碳化娃粉进行机械混粉，混粉时间为5小时，球料比为10:1，得到混合均匀的钛粉和碳化硅粉的混合粉末。
[0012]首先向氧化钇陶瓷坩祸内装入40%称取量的海绵钛，然后依次装入50%称取量的纯锡、海绵锆、铝铌中间合金和铝钼中间合金，10%称取量的海绵钛，40%称取量的钛粉和碳化硅粉的混合粉末，10%称取量的海绵钛，剩余纯锡、海绵锆、铝铌中间合金和铝钼中间合金，10%称取量的海绵钛，剩余称取量的钛粉和碳化硅粉的混合粉末，剩余的海绵钛，最后装入纯招块。
[0013]将氧化钇陶瓷真空感应熔炼炉中抽真空至真空度为8X10_3Pa后开始熔炼，设置电源功率以< 0.05KW/S的速率增加至28KW，待复合材料全部熔化后再将电源功率降至8KW保温5min，然后将熔体浇注到预热温度为450°C的金属型模具中，冷却后即制得原位自生lOvol.%TiC-Ti5Si3颗粒增强T1-6.2Al-3Sn_4Zr-0.8Nb_2Mo钛基复合材料。(本实例中原料按重量百分比计为:海绵钛79.37wt.%,SiC2.34wt%，钛粉 7.46wt