一种原位自生TiB晶须增强钛基复合材料的制备方法

摘要

一种原位自生TiB晶须增强钛基复合材料的制备方法。本发明涉及一种钛基复合材料的制备方法，具体涉及一种原位自生TiB晶须增强钛基复合材料的制备方法。本发明是为了解决现有钛基复合材料制备成本高的问题。方法：将钛粉与TiB2粉末混合均匀，然后用铝箔将混合后的粉末包制成合金包，再将合金包、海绵钛和元素添加剂一起装入真空感应电炉的水冷铜坩埚中并使合金包被其他物料所包裹，然后通电进行熔炼得到熔炼液，再熔炼液浇注成型，凝固后得到原位自生TiB晶须增强钛基复合材料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛基复合材料的制备方法，具体涉及一种原位自生TiB晶须增强钛 基复合材料的制备方法。

背景技术

钛合金具有良好的机械性能、耐蚀性、生物相容性，因此在航空工业、化学工业、运 动器材及医疗领域得到了广泛的应用。然而钛合金的耐磨性和高温性能差，这限制了它在 许多工业部门(特别是在航空发动机等高温结构件领域)的潜在应用。为了提高钛合金的 性能，具有高强度和高刚度的陶瓷增强相被引入钛合金中用于制备复合材料。钛基复合材 料通常具有高比刚度、高比强度、较低的热膨胀系数及高的耐磨性能。除了常温性能，高 温应用时钛基复合材料还具有高的强度、抗蠕变性能以及热稳定性，因此近些年受到了材 料工作者的关注。

TiB晶须与钛及钛合金在热力学上相容性较好，密度和泊松比与钛相近，且热膨胀系 数与钛相差在50％以内，而杨氏模量比钛高5倍。因此TiB是最常用的颗粒增强相。目前 用于生成TiB晶须的硼源是纯硼粉，即一般通过纯硼粉与钛原位反应生成，如申请号为 201110118962.3公开的一种TiB晶须增强钛基复合材料的制备方法即是利用纯硼粉与钛反 应生成TiB晶须。虽然纯硼粉是有效的制备钛基复合材料的硼源，但是纯硼粉的价格高， 这增加了钛基复合材料的成本，限制了钛基复合材料的工业化应用。钛基复合材料的成本 主要由两部分构成：一是纯钛及合金元素的成本；二是钛基复合材料制备成本(利用熔铸 法制备时主要是熔炼成本)。由于熔炼制备成本相对固定，而钛基复合材料中增强相TiB晶 须可以通过钛与不同化合物反应原位生成。因此，为了降低钛基复合材料的成本，有必要 开发新的有效硼源替代纯硼粉，从而降低钛基复合材料的成本。

发明内容

本发明是为了解决现有钛基复合材料制备成本高的问题，而提供一种原位自生TiB 晶须增强钛基复合材料的制备方法。

本发明的一种原位自生TiB晶须增强钛基复合材料的制备方法按以下步骤进行：

一、称取海绵钛、钛粉、TiB₂粉末和元素添加剂；所述的钛粉和海绵钛的质量比为1： (3～50)；所述的海绵钛和元素添加剂的质量比为分别为7：(0.5～2)；所述的钛粉和TiB₂粉末的质量比为(2～10)：1；所述的TiB₂粉末的粒度为300～1000目；所述的钛粉的粒度 为5～400目；

二、将步骤一称取的钛粉与TiB₂粉末混合均匀，然后用铝箔将混合后的粉末包制成合 金包，再将合金包、海绵钛和元素添加剂一起装入真空感应电炉的水冷铜坩埚中并使合金 包被其他物料所包裹，在真空度为10^-2Pa～10^-3Pa和电磁搅拌频率为7000Hz～11000Hz的条 件下通电进行熔炼，熔炼电流为500A～900A，熔炼时间为10min～30min，得到熔炼液；

三、将步骤二得到的熔炼液浇注成型，凝固后得到原位自生TiB晶须增强钛基复合 材料。

本发明的有益效果：

本发明采用了新的反应体系，即Ti+TiB₂→2TiB替代原有的钛-硼粉反应体系，即 Ti+B→TiB，由于在钛合金熔体中TiB₂不能稳定的存在，反应Ti+TiB₂→2TiB具有负的自 由能，因此从热力学角度来看，TiB₂替代纯硼粉生成TiB晶须是可行的。本发明的TiB₂可完全转化为TiB晶须。相对于纯硼粉，TiB₂成本低廉，利用TiB₂替代纯硼粉可以显著 降低复合材料的成本，成本降低了20％-30％，另外，此工艺TiB晶须通过原位自生的方 式生成，TiB晶须与基体界面结合良好，不存在界面反应层。

附图说明

图1为试验一的TiB晶须增强的Ti-6Al-4V基复合材料的XRD谱图；其中●为Ti， ▲为TiB。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种原位自生TiB晶须增强钛基复合材料的制备方 法按以下步骤进行：

一、称取海绵钛、钛粉、TiB₂粉末和元素添加剂；所述的钛粉和海绵钛的质量比为1： (3～50)；所述的海绵钛和元素添加剂的质量比为分别为7：(0.5～2)；所述的钛粉和TiB₂粉末的质量比为(2～10)：1；所述的TiB₂粉末的粒度为300～1000目；所述的钛粉的粒度 为5～400目；

二、将步骤一称取的钛粉与TiB₂粉末混合均匀，然后用铝箔将混合后的粉末包制成合 金包，再将合金包、海绵钛和元素添加剂一起装入真空感应电炉的水冷铜坩埚中并使合金 包被其他物料所包裹，在真空度为10^-2Pa～10^-3Pa和电磁搅拌频率为7000Hz～11000Hz的条 件下通电进行熔炼，熔炼电流为500A～900A，熔炼时间为10min～30min，得到熔炼液；

三、将步骤二得到的熔炼液浇注成型，凝固后得到原位自生TiB晶须增强钛基复合 材料。

本实施方式采用了新的反应体系，即Ti+TiB₂→2TiB替代原有的钛-硼粉反应体系， 即Ti+B→TiB，由于在钛合金熔体中TiB₂不能稳定的存在，反应Ti+TiB₂→2TiB具有负的 自由能，因此从热力学角度来看，TiB₂替代纯硼粉生成TiB晶须是可行的。本发明的TiB₂可完全转化为TiB晶须。相对于纯硼粉，TiB₂成本低廉，利用TiB₂替代纯硼粉可以显著 降低复合材料的成本，成本降低了20％-30％，另外，此工艺TiB晶须通过原位自生的方 式生成，TiB晶须与基体界面结合良好，不存在界面反应层。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的元素添加 剂为钒、钼、铬、锡、锆、镍、铁、铌、钨和硅的单质或合金中的一种或其中几种按任意 比组成的混合物。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述的钛粉 和海绵钛的质量比为1：(10～40)。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的 钛粉和海绵钛的质量比为1：(20～30)。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述的 钛粉和海绵钛的质量比为1：25。其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中所述的 钛粉和TiB₂粉末的质量比为(5～8)：1。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一中所述的 钛粉和TiB₂粉末的质量比为(6～7)：1。其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中所述的 电磁搅拌频率为10000Hz。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中所述的 熔炼电流为700A。其他步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤二中所述的 熔炼时间为20min。其他步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

用以下试验验证本发明的有益效果：

试验一、本试验的一种原位自生TiB晶须增强钛基复合材料的制备方法按以下步骤进 行：

一、称取14092g海绵钛、308g钛粉、154gTiB₂粉末、853g钒铝中间合金和747g铝锭； 所述的TiB₂粉末的粒度为600目；钛粉的粒度为5目；

二、将步骤一称取的钛粉与TiB₂粉末混合均匀，然后用铝箔将混合后的粉末包制成合 金包，再将合金包、海绵钛、钒铝中间合金和铝锭一起装入真空感应电炉的水冷铜坩埚中 并使合金包被其他物料所包裹，在真空度为10^-3Pa和电磁搅拌频率为10000Hz的条件下通 电进行熔炼，熔炼电流为700A，熔炼时间为20min，得到熔炼液；

三、将步骤二得到的熔炼液浇注成型，凝固后得到TiB晶须增强的Ti-6Al-4V基复合 材料，即原位自生TiB晶须增强钛基复合材料。

本试验得到的TiB晶须增强的Ti-6Al-4V基复合材料中TiB的体积分数为1.5％。

试验二、本试验的一种原位自生TiB晶须增强钛基复合材料的制备方法按以下步骤进 行：

一、称取13376g海绵钛、1024g钛粉、512gTiB₂粉末、853g钒铝中间合金和747g铝 锭；所述的TiB₂粉末的粒度为600目；钛粉的粒度为5目；

二、将步骤一称取的钛粉与TiB₂粉末混合均匀，然后用铝箔将混合后的粉末包制成合 金包，再将合金包、海绵钛、钒铝中间合金和铝锭一起装入真空感应电炉的水冷铜坩埚中 并使合金包被其他物料所包裹，在真空度为10^-3Pa和电磁搅拌频率为10000Hz的条件下通 电进行熔炼，熔炼电流为700A，熔炼时间为20min，得到熔炼液；

三、将步骤二得到的熔炼液浇注成型，凝固后得到TiB晶须增强的Ti-6Al-4V基复合 材料，即原位自生TiB晶须增强钛基复合材料。

本试验得到的TiB晶须增强的Ti-6Al-4V基复合材料中TiB的体积分数为5％。

试验三、本试验的一种原位自生TiB晶须增强钛基复合材料的制备方法按以下步骤进 行：

一、称取12352g海绵钛、2048g钛粉、1024gTiB₂粉末、853g钒铝中间合金和747g铝 锭；所述的TiB₂粉末的粒度为600目；钛粉的粒度为5目；

二、将步骤一称取的钛粉与TiB₂粉末混合均匀，然后用铝箔将混合后的粉末包制成合 金包，再将合金包、海绵钛、钒铝中间合金和铝锭一起装入真空感应电炉的水冷铜坩埚中 并使合金包被其他物料所包裹，在真空度为10^-3Pa和电磁搅拌频率为10000Hz～的条件下 通电进行熔炼，熔炼电流为700A，熔炼时间为20min，得到熔炼液；

三、将步骤二得到的熔炼液浇注成型，凝固后得到TiB晶须增强的Ti-6Al-4V基复合 材料，即原位自生TiB晶须增强钛基复合材料。

本试验得到的TiB晶须增强的Ti-6Al-4V基复合材料中TiB的体积分数为10％。

试验四、本试验的一种原位自生TiB晶须增强钛基复合材料的制备方法按以下步骤进 行：

一、称取11328g海绵钛、3072g钛粉、1536gTiB₂粉末、853g钒铝中间合金和747g铝 锭；所述的TiB₂粉末的粒度为600目；钛粉的粒度为5目；

二、将步骤一称取的钛粉与TiB₂粉末混合均匀，然后用铝箔将混合后的粉末包制成合 金包，再将合金包、海绵钛、钒铝中间合金和铝锭一起装入真空感应电炉的水冷铜坩埚中 并使合金包被其他物料所包裹，在真空度为10^-3Pa和电磁搅拌频率为10000Hz的条件下通 电进行熔炼，熔炼电流为700A，熔炼时间为20min，得到熔炼液；

三、将步骤二得到的熔炼液浇注成型，凝固后得到TiB晶须增强的Ti-6Al-4V基复合 材料，即原位自生TiB晶须增强钛基复合材料。

本试验得到的TiB晶须增强的Ti-6Al-4V基复合材料中TiB的体积分数为15％。

(一)采用型号为Rigaku D/Max-RB的X射线衍射仪对试验一的TiB晶须增强的 Ti-6Al-4V基复合材料进行检测，得到如图1所示的XRD谱图，从图中可以看到TiB₂已 经全部转化为TiB晶须。