一种轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料的制备方法

本发明涉及金属复合材料，尤其涉及一种轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料的制备方法。

背景技术：

1、随着当今世界科学技术的高速发展以及工业化进程的快速推进，金属材料的服役环境日益苛刻，单一金属材料由于自身的局限性，愈发难以同时满足严苛服役环境所需的多种性能要求。而金属复合材料通过合适的材料选择及合理的结构设计，将各组元金属的优点与优势有机结合，实现取长补短和优势互补的效果，能最大程度的克服单一金属材料的强度、韧性、耐磨损性、耐腐蚀性、耐烧蚀性等诸多性能缺陷，有望满足苛刻环境所需的服役性能要求；然后，金属复合板除了具有结构性和功能性的特征之外，还能达到大幅节约资源和显著降低成本的效果，具有很好的经济效益和社会效益。因此，金属复合板的发展越来越受到产业界和学术界的高度重视。其中，层状金属复合材料具有便捷的制备工艺和优异的综合性能，被广泛运用于航空航天、汽车制造、高铁装备、海洋工程及军事工业等诸多领域。

2、目前，主流金属模具材料为模具钢，随着服役要求的日益提高，其强度、耐磨性等关键参数无法满足高端金属模具材料的苛刻服役需求，从而降低了模具使用寿命，造成了工作效率和生产成本的浪费。此外，高端装备选材具有越来越迫切的轻量化要求，传统模具钢与轻质高强金属材料相比具有显著的差距。

3、因此有必要设计一种轻量化耐磨损的金属模具材料，以克服上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料的制备方法，通过热压扩散复合工艺制备由耐磨层硬质合金、中间过渡层镍箔及非耐磨层钛合金组成的轻量化耐磨损复合材料。

2、本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料的制备方法，包括步骤：

4、s1、原材料准备：对ta15钛合金、yg硬质合金和镍箔进行预处理，将碳纸和铜箔剪至与上述合金相同的尺寸备用；

5、s2、原材料组装：将预处理后的yg硬质合金、镍箔和ta15钛合金依次堆叠，构成基础结构组，多个基础结构组依次堆叠构成整体叠层结构，每个基础结构组之间用碳纸隔开，最后利用铜箔包裹固定好整体叠层结构作为试样；

6、s3、热压扩散复合：利用高温真空热压烧结炉对试样进行热压扩散，热压扩散结束后随炉冷却至室温后取出，碳纸隔开的部分即为所述复合材料。

7、耐磨层的yg硬质合金显著提升了复合材料的耐磨性，中间过渡层镍箔镍箔具有良好的塑性变形能力，能够较好地缓解热应力，ta15钛合金提高了复合材料的强度、韧性和塑性，并大幅减少现有同规格板材的质量，达到了轻量化设计的效果。

8、进一步地，所述ta15钛合金的al当量为5.5％～7.1％，mo当量为0.5％～2.0％。

9、ta15钛合金的化学成分为ti-6.5al-2zr-1mo-1v，该合金的al当量为5.5％～7.1％，mo当量为0.5％～2.0％，属于高al当量的近α型钛合金，所以它不仅具有α型钛合金良好的热强性和可焊性，还具有接近于α-β型钛合金的工艺塑性。该钛合金通过添加α相稳定元素al来实现固溶强化，通过添加中性元素zr及β相稳定元素mo、v，可改善工艺性能。

10、进一步地，所述yg硬质合金具体为yg6、yg8、yg15或yg20中的一种。

11、yg硬质合金中高硬高耐磨的wc颗粒提供优异的耐磨性能，粘结相co对wc具有良好的润湿性，能将难熔的wc硬质金属化合物紧密粘结在一起。yg系列硬质合金具有较高的抗弯强度和韧性、良好的导热性、优异的耐热性和耐磨性等特点。

12、进一步地，步骤s1中，ta15钛合金的预处理过程具体为：分别利用不同型号的砂纸对钛合金进行人工打磨，经清洗去除表面磨粒和污渍，吹干水渍，用化学腐蚀剂进行酸洗至表面略微发灰，清洗后吹干备用。

13、进一步地，所述化学腐蚀剂为kroll试剂，kroll试剂中v(hf)：v(hno3)：v(h2o)＝1：3：6。

14、进一步地，步骤s1中，yg硬质合金的预处理过程具体为：用不同型号金刚石砂纸对硬质合金进行人工打磨，至表面光亮、无黑斑，清洗后吹干备用。

15、进一步地，步骤s1中，镍箔的预处理过程具体为：将镍箔剪至与合金相同的尺寸，经超声波清洗后，再用酒精洗去除表面污渍备用。

16、进一步地，步骤s2中，整体叠层结构的上、下端面均用碳纸覆盖。

17、进一步地，步骤s3中，热压扩散复合温度为860～920℃，压强为5～15mpa，扩散气氛为氩气。

18、进一步地，步骤s3中，炉内升温速率为5～15℃/min，保温时长为40～60min，保温结束后炉内冷却速率为3～7℃/min。

19、本发明还提供一种通过上述方法制备的轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料，所述复合材料为层状双金属复合材料，包括7～9mm ta15钛合金的非耐磨层，1～3mm yg硬质合金的耐磨层，以及非耐磨层和耐磨层之间的镍箔过渡层。

20、本发明具有以下有益效果：

21、1、本发明通过硬质合金和钛合金的热压扩散复合制备层状金属基复合材料，通过多组叠加的形式可以一次性制备多个复合材料，在热压扩散中各组通过碳纸隔开，防止热压扩散复合试验中组与组之间发生扩散互相影响，制备效率高，制得的复合材料其硬质合金耐磨层提供优异的耐磨性能，钛合金非耐磨层在具有良好的强度、韧性和塑性的同时，具有较低的密度，复合后能满足模具材料轻量化的需求。

22、2、在室温和高温条件下，本发明制备的钛合金/硬质合金复合材料相较于18ni300钢磨损率更低，耐磨性能更好，而且同规格样品的质量也有显著降低，达到了轻量化设计目的。

技术特征：

1.一种轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

2.如权利要求1所述的轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述ta15钛合金的al当量为5.5％～7.1％，mo当量为0.5％～2.0％。

3.如权利要求1所述的轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述yg硬质合金具体为yg6、yg8、yg15或yg20中的一种。

4.如权利要求1所述的轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s1中，ta15钛合金的预处理过程具体为：分别利用不同型号的砂纸对钛合金进行人工打磨，经清洗去除表面磨粒和污渍，吹干水渍，用化学腐蚀剂进行酸洗至表面略微发灰，清洗后吹干备用。

5.如权利要求1所述的轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s1中，yg硬质合金的预处理过程具体为：用不同型号金刚石砂纸对硬质合金进行人工打磨，至表面光亮、无黑斑，清洗后吹干备用。

6.如权利要求1所述的轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s1中，镍箔的预处理过程具体为：将镍箔剪至与合金相同的尺寸，经超声波清洗后，再用酒精洗去除表面污渍备用。

7.如权利要求1所述的轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s2中，整体叠层结构的上、下端面均用碳纸覆盖。

8.如权利要求1所述的轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s3中，热压扩散复合温度为860～920℃，压强为5～15mpa，扩散气氛为氩气。

9.如权利要求1所述的轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s3中，炉内升温速率为5～15℃/min，保温时长为40～60min，保温结束后炉内冷却速率为3～7℃/min。

10.一种通过权利要求1～9任一方法制备的轻量化耐磨损钛合金-硬质合金复合材料，其特征在于：所述复合材料为层状双金属复合材料，包括7～9mm ta15钛合金的非耐磨层，1～3mm yg硬质合金的耐磨层，以及非耐磨层和耐磨层之间的镍箔过渡层。

技术总结
本发明提供了一种轻量化耐磨损钛合金‑硬质合金复合材料的制备方法，包括步骤：S1、原材料准备；S2、原材料组装；S3、热压扩散复合，通过热压扩散复合工艺制备由耐磨层YG硬质合金、中间过渡层镍箔及非耐磨层TA15钛合金组成的轻量化耐磨损复合材料，该复合材料为层状双金属复合材料，包括7～9mm TA15钛合金的非耐磨层，1～3mm YG硬质合金的耐磨层，以及非耐磨层和耐磨层之间的镍箔过渡层，耐磨层的YG硬质合金显著提升了复合材料的耐磨性，中间过渡层镍箔镍箔具有良好的塑性变形能力，能够较好地缓解热应力，TA15钛合金提高了复合材料的强度、韧性和塑性，并大幅减少现有同规格板材的质量，达到了轻量化设计的效果。

技术研发人员：袁飞,曹宇,李俊杰,何维均,胥政,谭莉,甘萍,蒋斌,陈泽军,董志华
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13