[发明专利]原位合成TiC颗粒增强钛-铝-钒合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种原位合成TiC颗粒增强钛-铝-钒合金材料，属于粉末冶金技术领域。本发明还涉及上述合金材料的制备方法。

背景技术

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，其熔点为1670℃。钛合金因具有比强度高、屈强比高、耐蚀性好等特点成为理想的航天工程结构材料而获得广泛的应用。

室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：α合金,(α+β)合金和β合金。中国分别以TA、TC、TB表示。按用途可分为结构钛合金和高温钛合金(使用温度大于400℃)。目前使用最广泛的钛合金是工业纯钛（TA1、TA2和TA3），Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和Ti-6Al-4V(TC4)，其中1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75％～85％。

随着航空、宇航、军工等尖端工业技术的飞速发展和石油与化学工业等民用工业领域的巨大市场潜在需求，高性能钛合金的研发受到空前重视和发展：

（1）高温钛合金：目前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的500~600℃高温钛合金有英国开发的以α相固溶强化的IMI829、IMI834合金，美国通过牺牲疲劳强度来提高蠕变强度的方法开发Ti-4242S、Ti-1100合金，俄罗斯的BT18Y、BT36合金等，中国开发了Ti-5.3Al-4sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd (Ti55)和Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si-1Nd (Ti66)。

（2）结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展，为适应更高强度和韧性的要求(如强度提高至1275～1373MPa,比强度提高至29～33,弹性模量提高至196GPa),近年研制了许多新型高强韧性能β钛合金,如美国的Ti-10V-2Fe-3Al (Ti1023)，Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti153)、Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si(β21S)；英国的Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si(IMI500)，日本的SPF00、CR800、SP700和前苏联的BT22等。

目前新型高温钛合金主要是α钛合金和α+β钛合金，一般在退火状态下使用且温度不超过600℃，α+β钛合金可进行热处理强化，但淬透性较低，强化热处理后断裂韧性也降低，因此新型高温钛合金的强度性能远低于新型高强韧性能β钛合金。然而，β钛合金热稳定性较差，不宜在高温下使用。因此，目前采用合金化技术通过固溶强化和热处理时效析出强化手段开发的新型钛合金材料难以兼顾高强韧性能和耐热性能。

在钛合金中加入高强度、高刚度的增强相可以进一步提高其比弹性模量、比刚度、力学性能、疲劳和抗蠕变能力，并克服了原钛合金耐磨性及高温性能差等缺点，已成为超高音速宇航飞行器和先进航空发动机的候选材料。与纤维和晶须增强复合材料相比，颗粒增强钛合金材料制备工艺简单，容易实现，所制备的材料各向同性，而且材料性能对增强相和基体的热膨胀系数失配的敏感性也较低，更重要的是可以用传统的钛合金熔炼和加工工艺制备大尺寸零件，显著降低材料的成本。在颗粒增强相选择上，一方面为避免热残余应力，增强颗粒相与基体的热膨胀系数应相近；另一方面增强颗粒相和基体的化学相容性好，以避免高温条件下与钛合金基体发生界面反应,降低界面结合强度。目前常用的增强相有：TiB和TiC，以及稀土氧化物等。与传统增强颗粒相外加法制得的材料相比，原位合成颗粒增强钛合金材料有以下优点：制备工艺简单，容易实现，所制备的材料各向同性，而且材料性能对增强相和基体的热膨胀系数失配的敏感性低、力学上稳定，因此在高温工作时，性能不易退化；增强相和基体的界面干净，没有界面反应物；原位生成的增强相在基体中分布均匀，表现出优良的力学性能。例如，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室采用熔铸法制备了TiB及TiC原位反应颗粒增强钛铝合金材料。