[发明专利]原位自生钛基复合材料的渗氢超塑性加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种复合材料技术领域的加工方法，具体的说，是一种原位自生钛基复合材料的渗氢超塑性加工方法。

背景技术

颗粒增强钛基复合材料因其具有高比强、高比模和耐高温性能，在航空航天、先进武器系统等领域有着广阔的应用。例如，使用钛基复合材料可以大幅度减轻汽车车身自重、减少燃料消耗、减少尾气污染和降低噪音等，但是由于目前制备钛基复合材料，尤其是加工复杂形状的零件的成本太高而大大限制了其应用，只是在赛车和高级轿车上获得应用。因此，必须继续降低制备和加工的成本，才能使钛基复合材料更多的应用到汽车工业。

原位合成增强体，避免了外加增强体的污染问题和熔铸过程中存在的陶瓷颗粒与基体合金的润湿性问题，可制备出性能更好的颗粒增强钛基复合材料。然而，具有高硬度的增强体分布于软的基体上，使得颗粒增强钛基复合材料的机械加工性能变差；另一方面，有些形状复杂的构件采用机械加工难以完成，这限制了复合材料的应用和发展。为了解决这一问题，采用近终成形来加工钛基复合材料构件，不但节约原材料的消耗，还可以大幅度降低加工成本。近终成形的关键技术就是超塑性变形。然而，钛合金及钛基复合材料的超塑性变形一般都是在很高的温度下进行，接近于材料的相变点，这不可避免的对超塑变形过程中的防氧化保护、模具的耐高温性和耐氧化性提出了更高的要求。尤其是对于难变形、耐高温的钛基复合材料，其超塑变形温度很高甚至没有超塑性变形区间，使得近终成形的加工方法不能得到应用。

氢在钛及钛合金中是β相稳定元素，氢的加入能显著改变钛合金的相变行为，能在一定的温度范围内增加β相的比例，降低塑性变形温度，降低流变应力，提高钛合金的高温塑性变形能力。同时，高温下氢在钛合金中具有很高的吸附能力和扩散迁移能力，因此可以通过高温渗氢和真空除氢的方法，把氢作为临时性合金元素，来改善钛合金的微观组织和力学性能。利用氢在钛合金中的上述特点，可以将氢作为钛基复合材料超塑性加工的临时性元素，降低钛基复合材料的超塑变形温度和流变应力，提高钛基复合材料的超塑变形能力。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利(申请)号为200410066211.1，专利名称为原位自生钛基复合材料的超塑性加工方法，该专利利用了普通的超塑性加工方法来加工复合材料，虽然工艺简单，但是最佳超塑温度太高，甚至接近于相变点，模具易损耗，成本大幅增加；而且在较低的温度进行超塑性加工，流变应力大，延伸率不高。

发明内容

本发明针对上述现有技术的问题，提供了一种原位自生钛基复合材料的渗氢超塑性加工方法，使其结合原位合成钛基复合材料的制备方法，在一定的温度和应变速率条件下进行超塑性变形，制备出增强体分布更均匀，与基体结合更好的非连续增强钛基复合材料。

本发明是通过以下技术方法案实现的，具体步骤如下：

步骤一，利用真空自耗电弧炉熔炼制备含有TiB和TiC混杂增强体的钛基复合材料铸锭；

所述增强体的体积分数为1％～25％，其中TiB和TiC的体积比为0.02～50。增强体含量低于1％，复合材料的强度提高不明显，而过高含量的增强体会导致复合材料脆性增加，不利于复合材料的制备和应用。

所述熔炼，进行两次或三次，实现材料成分的均匀性。

步骤二，在β相区对钛基复合材料的铸锭进行开坯锻造，随后在α+β两相区进行常规锻造，锻造完成后，除去钛基复合材料表面的氧化皮及缩孔、偏析和夹杂缺陷；

所述开坯锻造，其变形量为50％～100％，其工作温度范围为1060℃～1150℃。

所述常规锻造，其变形量为75％～120％，其工作温度范围为980℃～1050℃。

步骤三，将经过步骤二加工后的钛基复合材料置于真空炉内进行渗氢处理；

所述渗氢处理，其温度在650℃～850℃之间。

所述渗氢处理，其氢含量质量分数控制在0.1～1.0％之间。

步骤四，将含氢的钛基复合材料进行模锻或自由锻，加工成构件；

所述模锻或自由锻，其温度范围为800℃～1000℃，应变速率为1×10^-4s^-1～1×10^-2s^-1。

步骤五，将步骤四加工成的构件置于真空退火炉内进行真空除氢处理。

所述真空除氢，其工作温度为650℃～850℃，真空度为10^-2Pa～10^-4Pa。

所述真空除氢，其除氢时间为1～6小时。