一种多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料及其制备方法，包括硼化钛、碳化钛、硅化钛、钛硅碳中的三种或三种以上。按照各组元的重量百分比称取一定粒度的钛粉、碳化硼粉、碳化硅粉、合金化元素粉。采用混合法将粉末混合均匀。通过模压成型工艺压制成具有一定形状的生坯。将生坯放入真空热压烧结炉中进行烧结，随炉冷却后得到原位自生多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料。本发明工艺过程简单，在混料时同时添加不同比例的碳化硼粉和碳化硅粉，原位反应生成含硼化钛、碳化钛、硅化钛、钛硅碳等多相颗粒弥散增强的钛基复合材料。适用于航空航天、先进武器系统、汽车发动机等高比强、高比刚性及耐磨耐腐蚀性能的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种粉末冶金钛基复合材料，具体说涉及一种多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料，本发明还涉及该材料的制备方法。

背景技术

颗粒增强钛基复合材料因具有高的比强度、比模量及高的耐磨性能，在航空航天、先进武器系统以及汽车发动机等领域具有广泛的应用。但由于复合材料强度高，变形抗力大，使其加工苦难，从而限制了颗粒增强钛基复合材料的应用。

粉末冶金技术是一种近成型技术，避免熔铸法生产过程中出现的组织、成份偏析，晶粒粗大的问题，并且颗粒增强相的粒度和体积分数可以在较大的范围内调整。但因钛的活性高、粉末表面易于形成氧化膜，阻碍其烧结致密化，使粉末冶金颗粒增强钛基复合材料的发展与应用受到了限制。

原位合成工艺是获得颗粒增强钛基复合材料的一种方法，这种方法制备的复合材料，避免了在颗粒相内部产生空洞和裂纹，更有利于保证材料的性能。

经对现有技术文献的检索发现，于兰兰等人在《稀有金属快报》，2006，25(4)：1-5，撰文“颗粒增强钛基复合材料研究新进展”，该文介绍了日本Toyota公司自1998年以来采用粉末冶金技术制备了原位颗粒生成的TiB颗粒增强的钛基复合材料，并已在汽车发动机上得到应用。但是该复合材料采用的是单一的TiB颗粒增强体，因此获得的复合材料性能单一，综合性能差，限制了其应用。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种增强体种类多、分布更加均匀、增强体与基体界面结合更好、综合性能更为优异的多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种上述的复合材料的制备方法，具有工艺简单，所生产出的钛基复合材料具有较高的致密度，产品质量综合性能优良。

为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料，由组份及重量百分比为：B₄C 1％～20％，SiC 1％～20％，合金化元素0％～11％，其余为钛的粉末材料通过真空热压烧结生成多相增强体颗粒，所述的多相增强体颗粒包括硼化钛(TiB或TiB₂)、碳化钛(TiC)、硅化钛(Ti₅Si₃)、钛硅碳(Ti₃SiC₂)中的三种或三种以上。

所述的B₄C与SiC必须同时添加，以获得不同比例的多相颗粒增强体。

所述的合金化元素是所有钛合金化元素的一种或几种。

所述的硼化钛为TiB或TiB₂。

为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的制备多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料的方法为：

按照按照B₄C 1％～20％，SiC 1％～20％，合金化元素0％～11％，其余为钛的重量百分比称取钛粉、碳化硼粉、碳化硅粉、合金化元素粉，采用V型机或球磨机混合方法将原料粉末混合均匀，在300～600MPa的压力下，将混合均匀的粉末通过模压成型工艺压制成具有一定形状的(如圆柱形、长方体形等形状，但形状没有特殊要求)生坯，将生坯放入真空热压烧结炉中在1250～1650℃进行烧结2～8h，真空度为1×10^-1MPa～1×10^-3MPa，所施加的机械压力为5～25Mpa，随炉冷却后得硼化钛、碳化钛、硅化钛、钛硅碳多相颗粒的粉末冶金钛基复合材料。

本发明的具体的制备工艺包括如下步骤：

步骤一：按照B₄C 1％～20％，SiC 1％～20％，合金化元素0％～11％，其余为钛的重量百分比称取钛粉、碳化硼粉、碳化硅粉、合金化元素粉；

步骤二：采用V型机或球磨机将步骤一称取的粉末混合均匀；

步骤三：在300MPa～500MPa的压力下，将混合均匀的粉末采用成型方法压制成具有预定外形的生坯；

步骤四：将预制好的生坯在真空度为1×10^-1MPa～1×10^-3MPa下、温度为1250～1650℃、烧结时间为2～8h、所施加的机械压力为5～25MPa的真空热压烧结炉中烧结，得到弥散分布的含硼化钛、碳化钛、硅化钛、钛硅碳等多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料。

与现有技术相比，本发明在不改变传统的粉末冶金制备工艺和设备的情况下，用真空热压烧结方法，提高烧结钛基复合材料的致密度，降低烧结钛基复合材料中的孔隙数量。通过同时添加不同比例的碳化硼粉与碳化硅粉，原位反应生成体积分数不同的弥散分布的硼化钛、碳化钛、硅化钛、钛硅碳等多相颗粒，进一步提高烧结钛基复合材料的力学性能，从而得到综合性能较为优良的粉末冶金钛基复合材料。烧结体合金的抗压强度达到2100MPa，致密度达到99.8％。

本工艺的优势在于通过同时添加不同比例的碳化硼粉与碳化硅粉，并采用真空热压烧结的粉末冶金工艺，获得高致密及综合性能优良的原位自生多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料产品，满足实际工业生产的要求。

本发明原位反应得到含硼化钛(TiB或TiB₂)、碳化钛(TiC)、硅化钛(Ti₅Si₃)、钛硅碳(Ti₃SiC₂)等多相颗粒增强的钛基复合材料，将传统的粉末冶金方法与原位反应技术相结合起来，利用钛粉、碳化硼、碳化硅以及合金化元素粉之间的反应，简单快捷、低成本的制备出增强体种类多(三种或三种以上)、分布更加均匀、增强体与基体界面结合更好、综合性能更为优异的复合材料构件，适用于航空航天、先进武器系统及汽车工业等需要的构件，该方法可工业化生产。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以下本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程。

对比实施例1：

制备成分为Ti-5Al-4Mo-4V(质量分数，下同)的粉末冶金钛合金。所用原料为-100目钛粉、-300目铝粉、-200目钼粉、-150目A1-58V中间合金粉。按照合金配比称取原料粉末，原料粉粉末在球磨机上球磨混合均匀，然后在300MPa的压力下模压成生坯，将生坯放入真空烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-3MPa，烧结温度为1250℃，烧结时间6h。所得的多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料的抗压缩强度为1210MPa，排水法测试得到烧结体的致密度为91％。

结合本发明的方法提供以下实施例：

实施例1：

制备成多相颗粒增强的(TiB₂+TiC+Ti₃SiC₂)/Ti复合材料，原材料采用钛粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比Ti∶B₄C∶SiC＝98∶1∶1称取原料粉末。原料粉粉末在球磨机上球磨混合均匀，然后在300MPa的压力下模压成生坯，将生坯放入真空热压烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-1MPa，烧结温度为1350℃，烧结时间8h，所施加的压力为5MPa。所得的多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料的抗压缩强度为1950MPa，排水法测试得到烧结体的致密度为98.5％。

实施例2：

制备成多相颗粒增强的(TiB₂+TiC+Ti₅Si₃)/Ti复合材料，原材料采用钛粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比Ti∶B₄C∶SiC＝89∶10∶1称取原料粉末。原料粉粉末在球磨机上球磨混合均匀，然后在450MPa的压力下模压成生坯，将生坯放入真空热压烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-2MPa，烧结温度为1450℃，烧结时间2h，所施加的压力为15MPa。所得的多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料的抗压缩强度为1820MPa，排水法测试得到烧结体的致密度为99.3％。

实施例3：

制备成多相颗粒增强的(TiB₂+TiC+Ti₃SiC₂+Ti₅Si₃)/Ti复合材料，原材料采用钛粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比Ti∶B₄C∶SiC＝89∶1∶10称取原料粉末。原料粉粉末在球磨机上球磨混合均匀，然后在600MPa的压力下模压成生坯，将生坯放入真空热压烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-3MPa，烧结温度为1650，烧结时间8h，所施加的压力为15MPa。所得的多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料的抗压缩强度为2010MPa，排水法测试得到烧结体的致密度为99.7％。

实施例4：

制备成多相颗粒增强的(TiB+TiB₂+TiC+Ti₃SiC₂+Ti₅Si₃)/Ti-5Al-4Mo-4V复合材料，原材料采用钛粉、铝粉、钼粉、铝钒合金粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比(Ti-5Al-4Mo-4V)∶B₄C∶SiC＝79∶20∶1称取原料粉末。原料粉粉末在球磨机上球磨混合均匀，然后在300MPa的压力下模压成生坯，将生坯放入真空热压烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-1MPa，烧结温度为1350，烧结时间4h，所施加的压力为25MPa。所得的多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料的抗压缩强度为2050MPa，排水法测试得到烧结体的致密度为99.6％。

实施例5：

制备成多相颗粒增强的(TiB₂+TiC+Ti₃SiC₂+Ti₅Si₃)/Ti-5Al-4Mo-4V-2.5Ta复合材料，原材料采用钛粉、铝粉、钼粉、铝钒合金粉、钽粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比(Ti-5Al-4Mo-4V-5Ta)∶B₄C∶SiC＝75∶5∶20称取原料粉末。原料粉粉末在V型机上混合均匀，然后在450MPa的压力下模压成生坯，将生坯放入真空热压烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-3MPa，烧结温度为1450，烧结时间4h，所施加的压力为5MPa。所得的多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料的抗压缩强度为1965MPa，排水法测试得到烧结体的致密度为99.2％。

实施例6：

制备成多相增强体颗粒增强的(TiB+TiB₂+TiC+Ti₃SiC₂+Ti₅Si₃)/Ti-5Al-4Mo-4V-2Nb复合材料，原材料采用钛粉、铝粉、钼粉、铝钒合金粉、铌粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比(Ti-5Al-4Mo-4V-2Nb)∶B₄C∶SiC＝80∶10∶10称取原料粉末。原料粉粉末在V型机上混合均匀，然后在600MPa的压力下模压成生坯，将生坯放入真空热压烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-3MPa，烧结温度为1250℃，烧结时间8h，所施加的压力为25MPa。所得的多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料的抗压缩强度为2103MPa，排水法测试得到烧结体的致密度为99.7％。

实施例7：

制备成多相颗粒增强的(TiB+TiB₂+TiC+Ti₃SiC₂+Ti₅Si₃)/Ti-5Al-4Mo-4V-5Ag复合材料，原材料采用钛粉、铝粉、钼粉、铝钒合金粉、铌粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比(Ti-5Al-4Mo-4V-5Ag)∶B₄C∶SiC＝80∶10∶10称取原料粉末。原料粉粉末在V型机上混合均匀，然后在600MPa的压力下模压成生坯，将生坯放入真空热压烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-3MPa，烧结温度为1650，烧结时间2h，所施加的压力为25MPa。所得的多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料的抗压缩强度为2015MPa，排水法测试得到烧结体的致密度为99.9％。

实施例8：

制备成多相颗粒增强的(TiB₂+TiC+Ti₃SiC₂)/Ti-5Al-4V复合材料，原材料采用钛粉、铝粉、铝钒合金粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比(Ti-5Al-4V)∶B₄C∶SiC＝80∶10∶10称取原料粉末。原料粉粉末在球磨机上球磨混合均匀，然后在300MPa的压力下模压成生坯，将生坯放入真空热压烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-3MPa，烧结温度为1350，烧结时间8h，所施加的压力为25MPa。所得的多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料的抗压缩强度为1916MPa，排水法测试得到烧结体的致密度为99.4％。

实施例9：

制备成多相颗粒增强的(TiB+TiB₂+TiC+Ti₃SiC₂)/Ti-5Al-4Mo复合材料，原材料采用钛粉、铝粉、钼粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比(Ti-5Al-4Mo)∶B₄C∶SiC＝75∶20∶5称取原料粉末。原料粉粉末在球磨机上球磨混合均匀，然后在600MPa的压力下模压成生坯，将生坯放入真空热压烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-3MPa，烧结温度为1650，烧结时间8h，所施加的压力为20MPa。所得的多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料的抗压缩强度为2100MPa，排水法测试得到烧结体的致密度为99.3％。

实施例10：

制备成多相颗粒增强的(TiB+TiB₂+TiC+Ti₃SiC₂)/Ti-15Mo-5Zr-3Al复合材料，原材料采用钛粉、铝粉、钼粉、锆粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比(Ti-15Mo-5Zr-3A1)∶B₄C∶SiC＝75∶20∶5称取原料粉末。原料粉粉末在球磨机上球磨混合均匀，然后在500MPa的压力下模压成生坯，将生坯放入真空热压烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-3MPa，烧结温度为1500℃，烧结时间6h，所施加的压力为25MPa。所得的多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料的抗压缩强度为2000MPa，排水法测试得到烧结体的致密度为99.5％。

实施例11：

制备成多相颗粒增强的(TiB₂+TiC+Ti₃SiC₂)/Ti-7Mo-4Fe复合材料，原材料采用钛粉、铁粉、钼粉、碳化硼粉及碳化硅粉，按照重量百分比(Ti-7Mo-4Fe)∶B₄C∶SiC＝80∶10∶10称取原料粉末。原料粉粉末在球磨机上球磨混合均匀，然后在400MPa的压力下模压成生坯，将生坯放入真空热压烧结炉中进行高温烧结，真空度控制为1×10^-2MPa，烧结温度为1450℃，烧结时间4h，所施加的压力为15MPa。所得的多相颗粒增强的粉末冶金钛基复合材料的抗压缩强度为1874MPa，排水法测试得到烧结体的致密度为99.1％。