專利名稱：原位自生鈦基復(fù)合材料的超塑性加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域的加工方法，具體是一種原位自生鈦基復(fù)合材料的超塑性加工方法。
背景技術(shù)：
隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的鈦合金材料已達(dá)到其性能的極限，無法滿足日益苛刻的綜合性能的要求，從而出現(xiàn)了從固溶強(qiáng)化鈦合金向有序金屬間化合物及鈦基復(fù)合材料轉(zhuǎn)移的趨勢。與價格昂貴、工藝復(fù)雜、材料各向異性的連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料相比，具有各向同性的顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料機(jī)械性能提高幅度大、成本相對降低、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益明顯。傳統(tǒng)外加法制備鈦基復(fù)合材料，與基體合金比較，復(fù)合材料的性能雖然獲得了提高，然而也顯著提高了復(fù)合材料的成本，因而限制了鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用。例如在汽車行業(yè)使用鈦基復(fù)合材料后可極大地減輕汽車重量、降低燃料消耗、提高汽車工作效率、改善環(huán)境和降低噪音等，但是目前制備、加工鈦基復(fù)合材料的成本太高，只是在賽車、高級轎車中獲得應(yīng)用。因此，鈦基復(fù)合材料還必須進(jìn)一步降低成本至汽車工業(yè)可以接受的水平。利用增強(qiáng)體的原位合成法，避免了外加增強(qiáng)體的污染問題和熔鑄過程中存在的陶瓷顆粒與基體合金的濕潤性問題，使增強(qiáng)體分布更為均勻，與基體結(jié)合更好，可制備出性能更高的顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。然而，具有高硬度的增強(qiáng)體分布于軟的基體上，使得顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械加工性能變差；另一方面，有些形狀復(fù)雜的構(gòu)件機(jī)械加工過程難以完成，這限制了復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展。為了解決這一問題，近終成型技術(shù)(near-net shape)用來生產(chǎn)金屬基復(fù)合材料構(gòu)件，不但可以節(jié)省原材料消耗，還可以大幅度降低加工成本。近終成型技術(shù)的關(guān)鍵是超塑性變形。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，B.P.Bewlay等人在《Materials and Design》，2000，(21)287-295，撰文“Superplastic roll forming of Ti alloys(鈦合金的超塑軋制成形)”，該文介紹了傳統(tǒng)的加工鈦合金零件的方式如錘鍛、熱模鍛及等溫鍛等加工成本高，且加工較為困難。而利用超塑性成形加工方法則可解決以上問題。然而，迄今為止，尚未有對原位自生鈦基復(fù)合材料超塑成型工藝的研究。而超塑成型是簡捷、低成本制備原位自生鈦基復(fù)合材料零件最好的成型工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中鈦基復(fù)合材料加工溫度范圍窄、難于加工等不足和缺陷，提供一種原位自生鈦基復(fù)合材料超塑性加工方法，使其結(jié)合原位合成制備鈦基復(fù)合材料，然后利用鈦基復(fù)合材料在一定的溫度范圍和一定的應(yīng)變變形區(qū)間呈現(xiàn)超塑性的變形特征，制備原位自生鈦基復(fù)合材料零件和材料。利用本發(fā)明可以制備出增強(qiáng)體分布更為均勻，與基體結(jié)合更好非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。可以簡捷、低成本近終成型制備出新型鈦基復(fù)合材料及其零件，并且該方法適合大批量的工業(yè)生產(chǎn)，尤其適合大批量加工零件，從而滿足對低成本制備、高性能鈦基復(fù)合材料的迫切需求。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，方法步驟如下(1)利用真空自耗電弧爐熔煉制備TiB和TiC混雜增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料鑄錠，為保證材料成分均勻，熔煉進(jìn)行二次或三次；增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)過高會導(dǎo)致材料脆性增加，不利于材料的制備及應(yīng)用，為確保復(fù)合材料的成功制備和加工，增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)控制在25％以內(nèi)；(2)為保證材料組織細(xì)化、均勻，在β區(qū)間進(jìn)行開坯鍛造，在β區(qū)間材料容易變形，易于鍛造；變形量超過50％，才能保證鍛造后組織晶粒細(xì)小、均勻，從而使最終得到的材料具備優(yōu)良的性能；接著在α+β兩相區(qū)間進(jìn)行常規(guī)鍛造，變形量超過75％，鍛造后材料利用機(jī)加工設(shè)備去掉表面的氧化皮及縮孔、偏析、夾雜等缺陷；(3)該復(fù)合材料然后進(jìn)行模鍛或自由鍛成型制備所需的零件或材料。
模鍛或自由鍛在溫度范圍920℃~1080℃，應(yīng)變速率范圍在1×10-4s-1～2×10-2s-1進(jìn)行。
(4)隨后將制備零件或材料進(jìn)行固溶強(qiáng)化熱處理以滿足需求。
本發(fā)明在不改變傳統(tǒng)鈦合金制備設(shè)備和工藝流程的情況下，簡捷低成本近終成型制備高性能的鈦基復(fù)合材料零件，并且可以通過調(diào)整加工溫度范圍制備不同顯微組織即不同性能的復(fù)合材料以滿足不同需求。與傳統(tǒng)方法比較，該方法具有近終成型的特點，尤其適合批量制備零件，可以拓展高性能鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。
具體實施例方式
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下五個實施例實施例1制造增強(qiáng)體1％鈦基復(fù)合材料零件利用真空自耗電弧爐熔煉制備TiB和TiC混雜增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料鑄錠，其中增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)為1％。為保證材料成分均勻，進(jìn)行二次熔煉；然后在β區(qū)間(1100℃)進(jìn)行開坯鍛造，變形量60％，接著在α+β兩相區(qū)間(1030℃)進(jìn)行常規(guī)鍛造，變形量80％，鍛造后材料利用機(jī)加工設(shè)備去掉表面的氧化皮及其它缺陷；該復(fù)合材料然后在920℃，應(yīng)變速率范圍為10-3s-1條件下，進(jìn)行模鍛成型制備所需的零件。
實施例2制造增強(qiáng)體8％鈦基復(fù)合材料利用真空自耗電弧爐熔煉制備TiB和TiC混雜增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料鑄錠，其中增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)為8％。為保證材料成分均勻，進(jìn)行二次熔煉；然后在β區(qū)間(1150℃)進(jìn)行開坯鍛造，變形量70％，接著在α+β兩相區(qū)間(1000℃)進(jìn)行常規(guī)鍛造，變形量90％，鍛造后材料利用機(jī)加工設(shè)備去掉表面的氧化皮及其它缺陷；該復(fù)合材料然后在1080℃，應(yīng)變速率范圍為2×10-2s-1條件下，進(jìn)行自由鍛成型加工材料，隨后進(jìn)行淬火、失效處理，制得所需材料。
實施例3制造增強(qiáng)體25％鈦基復(fù)合材料零件利用真空自耗電弧爐熔煉制備TiB和TiC混雜增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料鑄錠，其中增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)為25％。為保證材料成分均勻，進(jìn)行三次熔煉；然后在β區(qū)間(1150℃)進(jìn)行開坯鍛造，變形量80％，接著在α+β兩相區(qū)間(1030℃)進(jìn)行常規(guī)鍛造，變形量75％，鍛造后材料利用機(jī)加工設(shè)備去掉表面的氧化皮及其它缺陷；該復(fù)合材料然后在1000℃，應(yīng)變速率范圍為1×10-4s-1條件下，進(jìn)行自由鍛成型制備所需的零件。
實施例4制造增強(qiáng)體5％鈦基復(fù)合材料零件利用真空自耗電弧爐熔煉制備TiB和TiC混雜增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料鑄錠，其中增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)為5％。為保證材料成分均勻，進(jìn)行三次熔煉；然后在β區(qū)間(1150℃)進(jìn)行開坯鍛造，變形量50％，接著在α+β兩相區(qū)間(1030℃)進(jìn)行常規(guī)鍛造，變形量80％，鍛造后材料利用機(jī)加工設(shè)備去掉表面的氧化皮及其它缺陷；該復(fù)合材料然后在980℃，應(yīng)變速率范圍為5×10-3s-1條件下，進(jìn)行模鍛成型制備所需的材料。
實施例5制造增強(qiáng)體1％鈦基復(fù)合材料零件利用真空自耗電弧爐熔煉制備TiB和TiC混雜增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料鑄錠，其中增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)為1％。為保證材料成分均勻，進(jìn)行二次熔煉；然后在β區(qū)間(1100℃)進(jìn)行開坯鍛造，變形量60％，接著在α+β兩相區(qū)間(1030℃)進(jìn)行常規(guī)鍛造，變形量75％，鍛造后材料利用機(jī)加工設(shè)備去掉表面的氧化皮及其它缺陷；該復(fù)合材料在980℃，應(yīng)變速率范圍為5×10-3s-1條件下，進(jìn)行模鍛成型制備所需的零件。
權(quán)利要求
1.一種原位自生鈦基復(fù)合材料的超塑性加工方法，其特征在于，方法步驟如下(1)利用真空自耗電弧爐熔煉制備TiB和TiC混雜增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料鑄錠，熔煉進(jìn)行二次或三次；(2)在β區(qū)間進(jìn)行開坯鍛造，變形量超過50％，接著在α+β兩相區(qū)間進(jìn)行常規(guī)鍛造，變形量超過75％，鍛造后材料利用機(jī)加工設(shè)備去掉表面的氧化皮縮孔、偏析、夾雜缺陷；(3)該復(fù)合材料進(jìn)行模鍛或自由鍛成型制備所需的零件或材料；(4)隨后將制備零件或材料進(jìn)行固溶強(qiáng)化熱處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位自生鈦基復(fù)合材料的超塑性加工方法，其特征是，步驟(3)中，復(fù)合材料在溫度范圍920℃～1080℃，應(yīng)變速率范圍在1×10-4s-1～2×10-2s-1進(jìn)行模鍛或自由鍛成型制備所需的零件或材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位自生鈦基復(fù)合材料的超塑性加工方法，其特征是，步驟(1)中，增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)控制在25％以內(nèi)。
全文摘要
一種原位自生鈦基復(fù)合材料的超塑性加工方法，用于材料科學(xué)與工程領(lǐng)域。方法如下利用真空自耗電弧爐熔煉制備TiB和TiC混雜增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料鑄錠，熔煉進(jìn)行二次或三次；在β區(qū)間進(jìn)行開坯鍛造，變形量超過50％，接著在α+β兩相區(qū)間進(jìn)行常規(guī)鍛造，變形量超過75％，鍛造后材料利用機(jī)加工設(shè)備去掉表面的氧化皮及縮孔、偏析、夾雜缺陷；該復(fù)合材料然后在其具有超塑性特征的區(qū)間進(jìn)行模鍛或自由鍛成型制備所需的零件或材料；隨后將制備零件或材料進(jìn)行熱處理以滿足需求。本發(fā)明可制備出增強(qiáng)體分布更為均勻，與基體結(jié)合更好非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，可簡捷、低成本近終成型制備出新型鈦基復(fù)合材料及其零件，適合大批量的工業(yè)生產(chǎn)，尤其適合大批量加工零件。
文檔編號B21J5/00GK1586762SQ20041006621
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月9日
發(fā)明者呂維潔, 王敏敏, 張荻, 覃繼寧, 馬鳳倉 申請人:上海交通大學(xué)