专利名称：改性TiC/Ti6Al4V复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种复合材料，特别是一种钛基复合材料。本发明的目的还 在于提供一种改性钛基复合材料的制备方法。(二) 背景技术钛基复合材料具有较高的室温和高温比强度、低密度和高弹性模量，是航空 航天领域和汽车等民用工业上具有广阔应用前景的先进结构材料。美国Dynamet 公司研制的TiC增强Ti6A14V合金，室温刚度较锻造合金提高15%;强度由 890MPa提高到1420Mpa，并且这一优势一直保持到650°C ;冲击韧性值高达 28MPa*mm1/2，可望用于制造火箭壳体，导弹尾翼和航空发动机零件。R本 学者制备的TiC增强e钛合金，其成本与普通钢相当，而耐磨性优于Stellet No.6耐磨材料，有望在汽车和民用工程上应用。关国GE公司f:在进行改类 材料在航空发动机燃烧室主涡流器、压气机静子、低压涡轮翼片和压气机叶 片上应用的研究，有些产品已在CF6-80C2发动机和PWA/RR/GE样机上试 用。鉴于TiC增强钛基复合材料具有的应用甜景，出现了许多制备方法，如 熔铸法、冷热等静压法、机械合金化法、自蔓延高温合成法、XDTM法等。 其中熔铸法工艺简单、可行性好、成本低；增强体原位自生，与基体结合好；可 以制备复杂构件，与精密铸造相结合可以近净成形。上海交大和西北有色院在 熔铸法制备TiC和TiB颗粒增强钛基复合材料和性能方面进行了较多的研 究，广州有色院在钛基复合材料的制备技术方面进行了不少工作。但国内外 的研究结果表明，TiC颗粒增强钛基复合材料中的TiC呈树枝状，尺寸较大， 它不但影响合金性能的提高，而且容易在后续的变形和使用过程中断裂，导 致材料失效。因此对于TiC形态和尺寸的控制已成为进一歩提高合金性能的关键。Tsang等人采用热锻工艺将合金中的树枝状TiC破碎成块状，虽明显地 提高了合金性能，但在锻造过程中TiC颗粒内部产生的微裂纹成为材料失效 的裂纹源。Lin等人研究冷却速度对TiC形态、结构的影响时发现，冷速不 仅可以改变TiC枝晶的大小，还影响TiC的结构。但在一般铸造条件下，采 取改变冷却速度细化合金的TiC或控制TiC形态有时难以实现。热处理的方 式能够改变TiC的形貌和尺寸，并且也能阻止颗粒中裂纹的发生，但是如果 在复合材料的制备过程中就能控制TiC的生长，将不仅在很大程度上提高复 合材料的性能，而且还大大简化了后续处理的工艺。
发明内容本发明的目的在于提供一种材料中树枝状增强体TiC的生长受到抑制，并 且在降低增强体尺寸的同时，改善增强体的形态，性能优良、应用领域广的 改性TiC/Ti6A14V复合材料。本发明的目的还在于提供一种改性TiC/Ti6A14V 复合材料的制备方法。本发明的目的是这样实现的本发明的改性TiC/Ti6A14V复合材料的重量百分比为Al为5.5%-6.5%， V 为3.5%-4.5%， C为1.4。/o-2。/。， B为0.01%-0.04%，余量为Ti。本发明的改性TiC/Ti6A14V复合材料是采用这样的方法來制备的将99.2% 、 45pm的高纯钛粉，99.6%、 29pm的铝粉和99.8%、 <0.05nm的碳黑按照(40-60) at%Al- (30-20) at%Ti- (30-20) at%C的化学计量比干混24h，冷压成致密度为 50% 60%的预制块，并将其置于真空高温自蔓延反应炉中加热使之反应生成 Al/TiC预制合金；然后将这种合金，海绵钛，99.9%、 20pm的钒粉，99.6%、 29pm的铝粉和98%、 45pm的硼粉按15vol.%TiC/Ti6A14V复合材料配比，98%、 45pm的硼粉的添加量分别为0.01%-0.04%，在真空水冷铜坩埚非自耗电弧炉中 熔化，采用电磁场搅拌、熔炼。本发明通过在复合材料的制备过程中添加微量元素B，使材料中树枝状增 强体TiC的生长受到抑制，并且在降低增强体尺寸的同时，改善增强体的形 态，使形成的钛合金基复合材料具有更优良的性能和更广泛的应用范围。与现有技术相比，本发明具有操作工艺简单，无需专用设备，容易实现的优点，只需要通过调整合金的化学成分和添加微量元素，便可达到对复合材料 中粗大树枝状增强体TiC细化的目的。此技术既避免了用热锻方法细化枝晶时 出现的枝晶相开裂现象，也避免了通过后续热处理来进行改性的复杂工序。本发 明通过添加微量元素B处理TiC/Ti6A14V复合材料，不仅可以降低树枝状增强体 TiC的尺寸，而且可以改善增强体的形态，可使TiC/Ti6A14V复合材料中粗大的 树枝状TiC演变为弥散分布于Ti6A14V合金基体中的细小近似于链条状、短棒状、 甚至成颗粒状的TiC相，从而可提高TiC/Ti6A14V复合材料的综合力学性能。(四)
图1为未添加B时的TiC/Ti6AWV复合材料中TiC的形貌图。 图2为B添加量为0.01%时TiC/Ti6A14V复合材料中TiC的形貌图。 图3为B添加量为0.02。/。时TiC/Ti6A14V复合材料中TiC的形貌图。 图4为B添加量为0.04%时TiC/Ti6A14V复合材料中TiC的形貌图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细地描述实施例1:将高纯钛粉(99.2%， 45,)，铝粉(99.6%, 29pim)和碳黑(99.8W ， <0.05拜) 按照一定(40-60) at%Al- (30-20) at%Ti- (30-20) at%C的化学计量比干混24h， 冷压成致密度为50% 60%的预制块，并将其置于真空高温自蔓延反应炉中加 热使之反应生成Al/TiC预制合金。然后将这种合金，海绵钛，钒粉(99.9%， 20pm)和铝粉(99.6%， 29pm)按15vol.%TiC/Ti6A14V复合材料配比，在真空水 冷铜坩埚非自耗电弧炉中熔化，采用电磁场搅拌，每次熔炼量为40g。对采用本 发明得到的铸态复合材料试样做金相组织观察，结果如图1所示。可以看出， 15vol.%TiC/Ti6Al4V复合材料中的TiC枝品非常粗大，平均尺寸在150pm左右。实施例2:首先按成分配比制成Al/TiC预制合金。然后将这种合金，海绵钛，钒粉(99.9 %， 20,)、铝粉(99.6%， 29,)和硼粉(98%， 45,)按15vol.% TiC/Ti6A14V 复合材料配比，B的添加量为0.0"/。，在真空水冷铜坩埚非自耗电弧炉中熔化， 采用电磁场搅拌，每次熔炼量为40g。对采用本发明得到含B的铸态复合材料试样做金相组织观察，结果如图2所示。从图中可以看出，与未加B的铸态复合 材料中TiC形貌(图l)相比，采用本发明提出的方法处理后，TiC枝品明显细 化，分布也更加均匀，平均尺寸为100pm左右。 实施例3:首先按成分配比制成Al/TiC预制合金。然后将这种合金，海绵钛，钒粉(99.9 %， 20—、铝粉(99.6%， 29pm)和硼粉(98%， 45,)按15vol.% TiC/Ti6A14V 复合材料配比，B的添加量为0.02。/。，在真空水冷铜坩埚非自耗电弧炉中熔化， 采用电磁场搅拌，每次熔炼量为40g。对采用本发明得到含B的铸态复合材料试 样做金相组织观察，结果如图3所示。从图中可以看出，采用本发明提出的方法 处理后，TiC枝晶进一歩细化，平均尺寸减少到70pm左右且有棒状和链条状TiC 出现。实施例4:首先按成分配比制成Al/TiC预制合金。然后将这种合金，海绵钛，钒粉(99.9 %， 20|mi)、铝粉(99.6%， 29pm)和硼粉(98%， 45pm)按15vol.% TiC/Ti6A14V 复合材料配比，B的添加量为0.04。/。，在真空水冷铜坩埚非自耗电弧炉中熔化， 采用电磁场搅拌，每次熔炼量为40g。对采用本发明得到含B的铸态复合材料试 样做金相组织观察，结果如图3所示。从图中可以看出，采用本发明提出的方法 处理后，TiC枝晶继续细化，分布更加均匀，平均尺寸达到50um左右，甚至出 现短棒状和颗粒状TiC。说明采用本发明提出的方法处理TiC/Ti6A14V复合材料， 可使复合材料中的枝晶相TiC得到有效的细化。从上述试验可以得出本发明的优点是，合金化元素B可使TiC/Ti6A14V复合 材料中粗大的树枝状增强体TiC演变为弥散分布于Ti6Al4V合金基体中的细小近 似于链条状、短棒状、甚至成颗粒状的TiC相，从而可提高TiC/Ti6A14V复合材 料的综合力学性能。因此，本发明为进一歩提高TiC/Ti6A14V复合材料的性能丌 辟了一条新途径。
权利要求
1、一种改性TiC/Ti6Al4V复合材料，其特征是重量百分比为Al为5.5％-6.5％，V为3.5％-4.5，C为1.4％-2％，B为0.01％-0.04％，余量为Ti。
2、 根据权利要求l所述的改性TiC/Ti6A14V复合材料，其特征是重量巨 分比为Al为5.5%-6.5%， V为3.5%-4.5%， C为1.4%-2%， B为0.01%，余 量为Ti。
3、 根据权利要求1所述的改性TiC/Ti6A14V复合材料，其特征是重量百 分比为Al为5.5%-6.5%， V为3,5%-4.5%， C为1.4%-2%， B为0.02%，余 量为Ti。
4、 根据权利要求1所述的改性TiC/Ti6A14V复合材料，其特征是重量百 分比为Al为5.5%-6.5%， V为3.5%-4.5%， C为1.4%-2%， B为0.04%，余量为Ti。
5、 根据权利要求3所述的改性TiC/Ti6A14V复合材料，其特征是重量百 分比为Al为60/。， V为4%， C为2。/。， B为0.02%，余量为Ti。
6、 一种改性TiC/Ti6A14V复合材料的制备方法，其特征是将99.2% 、45pm 的高纯钛粉，99.6X、29pm的铝粉和99.8%、0.05pm的碳黑按照(40-60)at%Al-(30-20) at%Ti- (30-20) at%C的化学计量比干混24h，冷压成致密度为50% 60%的预制块，并将其置于真空高温自蔓延反应炉中加热使之反应生成Al/ TiC预制合金;然后将这种合金，海绵钛，99.9%、 20pm的钒粉，99.6%、 29pm 的铝粉和98%、 45jam的硼粉按15vol.% TiC/Ti6A14V复合材料配比，98%、 45pm 的硼粉的添加量分别为0.01%-0.04%，在真空水冷铜坩埚非G耗电弧炉中熔化， 采用电磁场搅拌、熔炼。
全文摘要
本发明提供的是一种改性TiC/Ti6Al4V复合材料及其制备方法。将高纯钛粉、铝粉和碳黑按照一定的化学计量比干混24h，冷压成致密度为50％～60％的预制块，并将其置于真空高温自蔓延反应炉中加热使之反应生成Al/TiC预制合金；然后将这种合金，海绵钛，钒粉，铝粉和硼粉按15vol.％TiC/Ti6Al4V复合材料配比，硼粉的添加量分别为0.01-0.04％，在真空水冷铜坩埚非自耗电弧炉中熔化，采用电磁场搅拌、熔炼制成改性TiC/Ti6Al4V复合材料。本发明通过在复合材料的制备过程中添加微量元素B，使材料中树枝状增强体TiC的生长受到抑制，并且在降低增强体尺寸的同时，改善增强体的形态，使形成的钛合金基复合材料具有更优良的性能和更广泛的应用范围。
文档编号C22C14/00GK101245428SQ200810064109
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月13日 优先权日2008年3月13日
发明者莉 李, 李新林, 香 王, 盖鹏涛, 郑玉峰, 马旭梁 申请人:哈尔滨工程大学