[发明专利]改性TiC/Ti6Al4V复合材料及其制备方法

说明书

(一)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Ti6Al4V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℃；冲击韧性值高达28MPa·mm^1/2，可望用于制造火箭壳体，导弹尾翼和航空发动机零件。日本学者制备的TiC增强β钛合金，其成本与普通钢相当，而耐磨性优于StelletNo.6耐磨材料，有望在汽车和民用工程上应用。美国GE公司正在进行该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前景，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、XD^TM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步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。

(三)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/Ti6Al4V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/Ti6Al4V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％-2％，B为0.01％-0.04％，余量为Ti。

本发明的改性TiC/Ti6Al4V复合材料是采用这样的方法来制备的：将99.2％、45μm的高纯钛粉，99.6％、29μm的铝粉和99.8％、＜0.05μm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％、20μm的钒粉，99.6％、29μm的铝粉和98％、45μm的硼粉按TiC/Ti6Al4V复合材料配比、其中TiC占15vol.％，98％、45μm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。