專利名稱:一種高強(qiáng)度原位晶須和顆粒復(fù)合增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及金屬材料,特別提供了一種高強(qiáng)度原位生長(zhǎng)陶瓷晶須和顆粒復(fù)合增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。
傳統(tǒng)上,鈦基復(fù)合材料通常采用長(zhǎng)纖維(比如碳化硅纖維)作為增強(qiáng)相,然而在高溫制備條件下長(zhǎng)纖維通常與鈦基體產(chǎn)生嚴(yán)重的界面反應(yīng),極大地降低復(fù)合材料的機(jī)械性能。改善這一狀況的措施之一是在鈦基體中原位形成與基體相容的不連續(xù)陶瓷增強(qiáng)相,其中一硼化鈦和碳化鈦是最佳的選擇,因?yàn)樗鼈兣c鈦基體是完全相容的。影響金屬基復(fù)合材料性能的因素之一是陶瓷增強(qiáng)相的形狀和尺寸,細(xì)小的陶瓷粒子可明顯提高材料的強(qiáng)度,晶須則有助于改善材料的高溫蠕變抗力及韌性。因此,如果在鈦基體中原位形成一硼化鈦晶須和細(xì)小碳化鈦粒子可望得到具有高室溫強(qiáng)度和良好高溫性能的鈦基復(fù)合材料。盡管由鈦-碳化硼體系制備一硼化鈦和碳化鈦(或碳化二鈦)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料已有文獻(xiàn)(Mater.Sci.Eng.,vol.A149,No.2(1992),253-257;Scripta Mater.,vol.41,No.1(1999),39-44和Mater.Sci.Technol.,vol.12,No.3(1996),219-226)報(bào)道,但采用的均是鑄造方法,由于受凝固條件的限制,一硼化鈦很難長(zhǎng)成大長(zhǎng)徑比的晶須,碳化鈦通常也不能形成等軸狀粒子。
本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度原位晶須和顆粒復(fù)合增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料及其制備技術(shù),這種復(fù)合材料具有高的室溫強(qiáng)度和良好的高溫性能,可用于各種要求高強(qiáng)度、高使用溫度的場(chǎng)合。
本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)度原位晶須和顆粒復(fù)合增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料,其特征在于該復(fù)合材料由沿?cái)D壓方向定向排列的一硼化鈦晶須、碳化鈦顆粒和鈦基體組成,晶須直徑為0.2-15μm,長(zhǎng)度為5-500μm,碳化鈦顆粒尺寸為0.1-10μm,原位增強(qiáng)相的體積總含量在0.05-0.40,其中一硼化鈦和碳化鈦的摩爾比是4∶(1±0.05)。
本發(fā)明還提供了上述高強(qiáng)度原位晶須和顆粒復(fù)合增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法,其特征在于制備過(guò)程如下采用物理機(jī)械方法使40-150μm的鈦或鈦合金和0.5-15μm的碳化硼粉末均勻混合,鈦或鈦合金和碳化硼的重量比為92.5∶1到13.1∶1;混合粉末冷壓實(shí)后在10-5托真空條件下逐步加熱除氣,然后在1150-1350℃,50-200MPa條件下真空燒結(jié)0.5-4小時(shí);熱壓錠在1000-1200℃以10∶1-40∶1擠壓比擠壓成型。
測(cè)試表明所獲得的原位一硼化鈦晶須和碳化鈦顆粒復(fù)合增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料具有良好的機(jī)械性能。
本發(fā)明使用一個(gè)新的反應(yīng)體系,即以鈦碳化硼,采用粉末反應(yīng)熱壓法制備出定向排列的原位一硼化鈦晶須和等軸狀碳化鈦粒子復(fù)合增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。從文獻(xiàn)(Mater.Sci.Technol.,vol.12,No.3(1996),219-226)提供的的數(shù)據(jù)相比可以發(fā)現(xiàn),在相同的增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)(15vol.%)條件下,由反應(yīng)熱壓法制備的一硼化鈦晶須和碳化鈦粒子增強(qiáng)鈦復(fù)合材料的強(qiáng)度明顯高于由鑄造法制備的一硼化鈦晶須和碳化二鈦粒子增強(qiáng)鈦復(fù)合材料,兩者在600℃的壓縮屈服強(qiáng)度分別是325和254MPa。
下面通過(guò)實(shí)施例詳述本發(fā)明。
實(shí)施例14vol.%一硼化鈦晶須和1vol.%碳化鈦顆粒復(fù)合增強(qiáng)鈦復(fù)合材料制造工藝將重量比為92.5∶1的鈦和碳化硼粉末用雙軸混料機(jī)混合10小時(shí)后冷壓實(shí)。冷壓坯在在10-5托真空條件下逐步加熱除氣,然后在1300℃,100MPa條件下燒結(jié)1小時(shí)。熱壓錠在1100℃以25∶1擠壓比擠壓成型。所得復(fù)合材料在350和600℃的壓縮屈服強(qiáng)度分別是620和195MPa,較未增強(qiáng)鈦分別提高56%和64%。
實(shí)施例212.1vol.%一硼化鈦晶須和2.9vol.%碳化鈦顆粒復(fù)合增強(qiáng)鈦復(fù)合材料制造工藝將重量比為33.7∶1的鈦和碳化硼粉末用雙軸混料機(jī)混合10小時(shí)后冷壓實(shí)。冷壓坯在在10-5托真空條件下逐步加熱除氣,然后在1250℃,120MPa條件下燒結(jié)0.5小時(shí)。熱壓錠在1100℃以18∶1擠壓比擠壓成型。所得復(fù)合材料在350和600℃的壓縮屈服強(qiáng)度分別是1035和325MPa,較未增強(qiáng)鈦分別提高160%和173%。復(fù)合材料在600-650℃的壓縮蠕變抗力較未增強(qiáng)鈦提高1.5個(gè)數(shù)量級(jí)。
實(shí)施例332.4vol.%一硼化鈦晶須和7.6vol.%碳化鈦顆粒復(fù)合增強(qiáng)鈦復(fù)合材料制造工藝將重量比為13.1∶1的鈦和碳化硼粉末用雙軸混料機(jī)混合10小時(shí)后冷壓實(shí)。冷壓坯在在10-5托真空條件下逐步加熱除氣,然后在1350℃,80MPa條件下燒結(jié)2小時(shí)。熱壓錠在1200℃以10∶1擠壓比擠壓成型。所得復(fù)合材料在600℃的壓縮屈服強(qiáng)度是520MPa,較未增強(qiáng)鈦提高337%。
實(shí)施例412.1vol.%一硼化鈦晶須和2.9vol.%碳化鈦顆粒復(fù)合增強(qiáng)Ti-6Al-4V合金基復(fù)合材料制造工藝將重量比為33.7∶1的Ti-6Al-4V合金和碳化硼粉末用雙軸混料機(jī)混合10小時(shí)后冷壓實(shí)。冷壓坯在在10-5托真空條件下逐步加熱除氣,然后在1300℃,120MPa條件下燒結(jié)0.5小時(shí)。熱壓錠在1200℃以20∶1擠壓比擠壓成型,所得復(fù)合材料在600℃的壓縮屈服強(qiáng)度是500MPa。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度原位晶須和顆粒復(fù)合增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料,其特征在于該復(fù)合材料由沿?cái)D壓方向定向排列的一硼化鈦晶須、碳化鈦顆粒和鈦基體組成,晶須直徑為0.2-15μm,長(zhǎng)度為5-500μm,碳化鈦顆粒尺寸為0.1-10μm,原位增強(qiáng)相的體積總含量在0.05-0.40,其中一硼化鈦和碳化鈦的摩爾比是4∶(1±0.05)。
2.一種權(quán)利要求1所述高強(qiáng)度原位晶須和顆粒復(fù)合增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法,其特征在于制備過(guò)程如下采用物理機(jī)械方法使40-150μm的鈦或鈦合金和0.5-15μm的碳化硼粉末均勻混合,鈦或鈦合金和碳化硼的重量比為92.5∶1到13.1∶1;混合粉末冷壓實(shí)后在10-5托真空條件下逐步加熱除氣,然后在1150-1350℃,50-200MPa條件下真空燒結(jié)0.5-4小時(shí);熱壓錠在1000-1200℃以10∶1-40∶1擠壓比擠壓成型。
全文摘要
一種高強(qiáng)度原位晶須和顆粒復(fù)合增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料,其特征在于:該復(fù)合材料由原位形成的一硼化鈦晶須、碳化鈦顆粒和鈦基體組成,晶須沿?cái)D壓方向排列,原位增強(qiáng)相的體積含量在0.05-0.40。制備過(guò)程是使用鈦或鈦合金和碳化硼粉末在1150-1350℃,50-200MPa條件下真空燒結(jié)0.5-4小時(shí),然后在1000-1200℃擠壓成型。本發(fā)明兼有高的室溫強(qiáng)度和良好的高溫性能。
文檔編號(hào)C22C47/00GK1376809SQ0110634
公開日2002年10月30日 申請(qǐng)日期2001年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月23日
發(fā)明者馬宗義, 畢敬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所