專(zhuān)利名稱：一種原位SiC顆粒增強(qiáng)Ti6Al4V的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及SiC-Ti6A14V新的制備技術(shù)，提高強(qiáng)度的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
Ti6A14V具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)性好、耐蝕及生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，被成功用于航空航天、石油化工、生物醫(yī)療等領(lǐng)域，但其耐磨性差以及易發(fā)生粘著的缺點(diǎn)，限制了它的應(yīng)用，因而發(fā)展SiC增強(qiáng)復(fù)合材料是必要的選擇。用鑄造和鍛造技術(shù)制備的Ti6A14V合金件已被成功地應(yīng)用在高技術(shù)領(lǐng)域，如軍用和商業(yè)飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)件。但是，用鍛造和鑄造方法生產(chǎn)鈦合金，由于工藝復(fù)雜、成材率低、產(chǎn)品成本高以及后續(xù)加工困難，阻礙了其更為廣泛的應(yīng)用。粉末冶金鈦合金研究始于20世紀(jì)50年代。最早采用預(yù)合金法(Pre-alloying, PA)制備鈦合金，但是生產(chǎn)成本對(duì)于民用領(lǐng)域仍顯昂貴，使其應(yīng)用受到制約。20世紀(jì)80年代后期，混合元素法(Blendingelements, BE)制備鈦合金得到較快的發(fā)展。目前SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料由于具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，在600-1000°C時(shí)能夠保持較好的疲勞和蠕變性能，成為航空材料的研究熱點(diǎn)。但該復(fù)合材料在成型和高溫使用過(guò)程中，纖維和基體之間容易發(fā)生界面反應(yīng)，會(huì)對(duì)力學(xué)性能造成嚴(yán)重影響。其次，鈦合金基體和SiC纖維的熱膨脹系數(shù)相差很大，復(fù)合材料界面將會(huì)產(chǎn)生很大的殘余熱應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有SiC_Ti6A14V容易出現(xiàn)晶界弱連接、復(fù)合材料強(qiáng)度降低等現(xiàn)象而進(jìn)行的原位SiC增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料。使用鈦粉、母合金粉、適量的機(jī)械合金化的Si粉和C粉、適量的SiO2粉，模壓、真空燒結(jié)，獲得原位SiC增強(qiáng)鈦合金?？蛇B續(xù)生產(chǎn)，適用于工業(yè)規(guī)模?！ひ环N原位SiC顆粒增強(qiáng)Ti6A14V的制備方法，它的步驟如下:(I)將Si粉和C粉放入高能研磨設(shè)備中進(jìn)行機(jī)械合金化，研磨8-48小時(shí)，Si粉與C粉的質(zhì)量比為2-3:1，然后加入SiO2粉，SiO2粉的加入量為Si粉和C粉總質(zhì)量的5-20%，繼續(xù)研磨4-10小時(shí)得到混合料；
(2)將鈦粉、母合金粉60A140V和步驟(I)中的混合料均勻混合，鈦粉的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的80-95%，母合金粉的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的5-20%，混合料的的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的5-40%，模壓成型，制成坯料；(3)將步驟(2)中的坯料在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行兩階段燒結(jié)，在700-900°C燒結(jié)0.5-3小時(shí)，然后升溫至1300-1500°C，在氬氣氛中燒結(jié)0.5-3小時(shí)。所述步驟(I)中的Si粉、C粉、SiO2粉的目數(shù)為300-500目。所述步驟(2)中的鈦粉、母合金粉的目數(shù)為300-500目。所述步驟(2)中混合料的的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的20-30%。所述步驟(3)中真空燒結(jié)爐底部鋪有Si粉，Si粉的質(zhì)量為坯料質(zhì)量的3-8 %。通過(guò)在Ti6A14V基體中原位生成SiC顆粒增強(qiáng)相，可以完全消除界面的弱連接，消除殘余應(yīng)力，獲得抗壓強(qiáng)度達(dá)到22-35MPa鈦基復(fù)合材料。先使C粉和Si粉機(jī)械合金化，然后加入SiO2繼續(xù)高能研磨，以上混合粉料加入鈦粉和母合金粉混合均勻后模壓成型，真空兩段燒結(jié)后獲得較高抗壓強(qiáng)度性能的顆粒增強(qiáng)鈦合金。該方法所得復(fù)合材料增強(qiáng)相原位生成，界面連接緊密、強(qiáng)度提高、適合工業(yè)規(guī)模。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
一種原位SiC顆粒增強(qiáng)Ti6A14V的制備方法，它的步驟如下:(I)將Si粉和C粉放入高能研磨設(shè)備中進(jìn)行機(jī)械合金化，研磨48小時(shí)，Si粉與C粉的質(zhì)量比為2:1，然后加入SiO2粉，SiO2粉的加入量為Si粉和C粉總質(zhì)量的20%,繼續(xù)研磨10小時(shí)得到混合料；(2)將鈦粉、母合金粉和步驟(I)中的混合料均勻混合，鈦粉的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的95%，母合金粉的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的5%，混合料的的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的5%，模壓成型，制成坯料；(3)將步驟(2)中的坯料在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行兩階段燒結(jié)，在700°C燒結(jié)0.5小時(shí)，然后升溫至1300°C，在氬氣氛中燒結(jié)0.5小時(shí)。測(cè)試試樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到23MPa。

實(shí)施例2
一種原位SiC顆粒增強(qiáng)Ti6A14V的制備方法，它的步驟如下:(I)將Si粉和C粉放入高能研磨設(shè)備中進(jìn)行機(jī)械合金化，研磨8小時(shí)，Si粉與C粉的質(zhì)量比為3:1，然后加入SiO2粉，SiO2粉的加入量為Si粉和C粉總質(zhì)量的5%，繼續(xù)研磨10小時(shí)得到混合料；(2)將鈦粉、母合金粉和步驟(I)中的混合料均勻混合，鈦粉的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的80%，母合金粉的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的15%，混合料的的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的20%，模壓成型，制成坯料；(3)將步驟(2)中的坯料在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行兩階段燒結(jié)，在800°C燒結(jié)0.5-3小時(shí)，然后升溫至1400°C，在氬氣氛中燒結(jié)2小時(shí)。測(cè)試試樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到25MPa。實(shí)施例3
一種原位SiC顆粒增強(qiáng)Ti6A14V的制備方法，它的步驟如下:(I)將Si粉和C粉放入高能研磨設(shè)備中進(jìn)行機(jī)械合金化，研磨30小時(shí)，Si粉與C粉的質(zhì)量比為2.5:1，然后加入SiO2粉，SiO2粉的加入量為Si粉和C粉總質(zhì)量的15%，繼續(xù)研磨8小時(shí)得到混合料；(2)將鈦粉、母合金粉和步驟(I)中的混合料均勻混合，鈦粉的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的90%，母合金粉的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的10%，混合料的的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的30%，模壓成型，制成坯料；(3)將步驟(2)中的坯料在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行兩階段燒結(jié)，在800°C燒結(jié)2小時(shí)，然后升溫至1400°C，在氬氣氛中燒結(jié)2小時(shí)。測(cè)試試樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到24MPa。實(shí)施例4
一種原位SiC顆粒增強(qiáng)Ti6A14V的制備方法，它的步驟如下:(I)將Si粉和C粉放入高能研磨設(shè)備中進(jìn)行機(jī)械合金化，研磨35小時(shí)，Si粉與C粉的質(zhì)量比為3:1，然后加入SiO2粉，SiO2粉的加入量為Si粉和C粉總質(zhì)量的15%，繼續(xù)研磨6小時(shí)得到混合料；(2)將鈦粉、母合金粉和步驟(I)中的混合料均勻混合，鈦粉的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的85%，母合金粉的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的20%，混合料的的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的20%，模壓成型，制成坯料；(3)將步驟(2)中的坯料在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行兩階段燒結(jié)，在900°C燒結(jié)2小時(shí)，然后升溫至1500°C，在氬氣氛中燒結(jié)I小時(shí)。實(shí)施例5
將5g鈦粉、Ig母合金粉均勻混合；Si粉和C粉高能研磨40小時(shí)，加入二氧化硅粉末繼續(xù)研磨4小時(shí)，取出稱取1.6g，并和鈦合金粉均勻混合。以上混合料壓制成5 X 5 X 40mm的坯料，移至鋪有少量硅粉的真空燒結(jié)爐中于900°C保溫I小時(shí)，然后升溫至1350°C通入氬氣保溫1.5小時(shí)。測(cè)試試樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到22MPa。實(shí)施例6
將5g鈦粉、Ig母合金粉均勻混合；Si粉和C粉高能研磨40小時(shí)，加入二氧化硅粉末繼續(xù)研磨4小時(shí)，取出稱取2g，并和鈦合金粉均勻混合。以上混合料壓制成5 X 5 X 40mm的坯料，移至鋪有少量硅粉的真空燒結(jié)爐中于800°C保溫I小時(shí)，然后升溫至1400°C通入氬氣保溫1.0小時(shí)。測(cè)試試樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到25MPa。上述實(shí)施例中，步驟(I)中的Si粉、C粉、SiO2粉的目數(shù)為300-500目，步驟(2)中的鈦粉、母合金粉的目數(shù)為300-500目，步驟(2)中混合料的的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的20-30%，步驟 (3)中真空燒結(jié)爐底部鋪有Si粉，Si粉的質(zhì)量為坯料質(zhì)量的3-8 %。
權(quán)利要求
1.一種原位SiC顆粒增強(qiáng)Ti6A14V的制備方法，其特征在于，它的步驟如下:(I)將Si粉和C粉放入高能研磨設(shè)備中進(jìn)行機(jī)械合金化，研磨8-48小時(shí)，Si粉與C粉的質(zhì)量比為2-3:1，然后加入SiO2粉，SiO2粉的加入量為Si粉和C粉總質(zhì)量的5-20%，繼續(xù)研磨4_10小時(shí)得到混合料； (2)將鈦粉、母合金粉和步驟(I)中的混合料均勻混合，鈦粉的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的80-95%，母合金粉的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的5-20%，混合料的的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的5-40%，模壓成型，制成坯料； (3)將步驟(2)中的坯料在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行兩階段燒結(jié)，在700-900°C燒結(jié)0.5-3小時(shí)，然后升溫至1300-1500°C，在氬氣氛中燒結(jié)0.5-3小時(shí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位SiC顆粒增強(qiáng)Ti6A14V的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中的Si粉、C粉、SiO2粉的目數(shù)為300-500目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位SiC顆粒增強(qiáng)Ti6A14V的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中的鈦粉、母合金粉的目數(shù)為300-500目。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位SiC顆粒增強(qiáng)Ti6A14V的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中混合料的的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的20-30%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位SiC顆粒增強(qiáng)Ti6A14V的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中真空燒結(jié)爐底·部鋪有Si粉，Si粉的質(zhì)量為坯料質(zhì)量的3-8 %。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種原位SiC顆粒增強(qiáng)Ti6Al4V的制備方法，它的步驟如下(1)將Si粉和C粉放入高能研磨設(shè)備中進(jìn)行機(jī)械合金化，研磨8-48小時(shí)，Si粉與C粉的質(zhì)量比為2-3:1，然后加入SiO2粉，SiO2粉的加入量為Si粉和C粉總質(zhì)量的5-20%，繼續(xù)研磨4-10小時(shí)得到混合料；(2)將鈦粉、母合金粉和混合料均勻混合，鈦粉的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的80-95%，母合金粉的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的5-20%，混合料的的加入量為鈦粉和母合金粉總質(zhì)量的5-40%，模壓成型，制成坯料；(3)將坯料在真空燒結(jié)爐中進(jìn)行兩階段燒結(jié)，在700-900℃燒結(jié)0.5-3小時(shí)，然后升溫至1300-1500℃，在氬氣氛中燒結(jié)0.5-3小時(shí)。該方法所得復(fù)合材料增強(qiáng)相原位生成，界面連接緊密、強(qiáng)度提高、適合工業(yè)規(guī)模。
文檔編號(hào)C22C14/00GK103233137SQ20131017472
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月13日
發(fā)明者張小立, 王志新, 張瑞杰, 劉紅燕, 劉 英, 張照軍 申請(qǐng)人:中原工學(xué)院