[发明专利]45°拐角等通道反复挤压制备超高强度钛基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料纳米化及复合材料制备技术领域，特别涉及具有大体积、大块状纳米晶粒组织的钛基多孔烧结复合材料及其制备方法。

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，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。通过在钛金属中添加其它元素可做成钛基合金及复合材料。

目前高强钛基复合材料得到进一步发展。钛基复合材料主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件及航天器等，作为航空航天结构件材料，对钛基复合材料强度提出了更高的要求，通常材料的内部微观结构对材料外在宏观力学性能具有重要影响，一般材料的晶粒组织越细小，材料的强度更高，因此获得具有纳米晶组织的钛基复合材料十分必要，本发明在于开发一种具有纳米晶组织的钛基多孔烧结复合材料及其制备方法。

通过球磨法可以获得纳米材料，但通过获得材料具有微孔隙。通过化学气相沉积法也可获得纳米材料，但多为化合物，很难制备块体纳米金属。通过将钛基复合材料各成分按比例配制成毛坯烧结后，将毛坯装入包套通过45°拐角等通道反复挤压剧烈塑性变形获得具有纳米晶粒组织的钛基多孔烧结复合材料，获得的钛基复合材料具有纳米微观结构，其外在宏观力学性能能够得到极大提升，采用该方法制备具有大体积、大块状纳米晶粒组织的钛基多孔烧结复合材料可用做新一代航空、航天器、核电管道及法兰以及穿甲等高硬、高强材料。

发明内容

本发明专利的目的是：针对现有技术不足，提供了一种具有显著的晶粒细化组织、材料硬度和强度显著提高的新型钛基多孔烧结复合材料。

本发明是通过如下技术方案来实现：

本发明所提供的具有纳米晶组织的钛基多孔烧结复合材料以钛、铝、钼和钒为组元，其组成可用aTi-bAL-cMo-dV-eNi表示，其中a：83-89，b：5-8，c：1-3，d：5-8，e：1-2且a+b+c+d+e=100。具有纳米晶组织的钛基多孔烧结复合材料，其特殊之处是：其是以高强钛合金或Ti、Al、Mo、V、Ni系钛合金作为基体材料，通过在所述基体材料的成分磨成细粉末（材料颗粒小于10μm）。

本发明提供一种上述具有纳米晶组织的钛基多孔烧结复合材料及其制备方法，包括如下步骤：

（1）配料制坯：按一定比例制成具有一定强度和密度的aTi-bAL-cMo-dV-eNi挤压毛坯（相对密度约为0.81）；

（2）烧结：经850℃真空高温烧结5小时后，将其加工成D10mm×58mm的棒状试样；

（3）获得大应变：将试样装入包套，包套外表尺寸为D12mm×60mm，内腔尺寸为D10mm×58mm，通过45°拐角等通道反复挤压获得具有纳米晶粒组织的钛基多孔烧结复合材料，45°拐角等通道反复挤压参数为：冲头的挤压速度为1mm/s。

本发明采用的45°拐角等通道反复挤压技术来源于现有的等通道角挤压技术（Equal Channel Angular Pressing，ECAP）。ECAP的原理在于挤压件通过两个成一定角度的等横截面管道的模具多次挤出，而获得足够的累积应变达到晶粒细化。但是，该方法模具拐角大于90°，而且制备的超细晶材料试样为相关金属及合金，在挤压过程中需要将挤压件挤出后重复放入模具再次挤压，工艺不易实现自动化。针对存在的上述问题，本发明采用的45°拐角等通道反复挤压技术在挤压过程中采用双冲头挤压，在挤压过程中无需取件即可实现反复挤压，累积足够等效应变，达到晶粒细化。

为了便于金属粉末在烧结过程中更好互相结合产生细小晶粒，同时在45°拐角等通道反复挤压下能更好产生破碎的晶界，所述金属粉末粒度要小于10μm，同时加工成的毛坯为棒状试样，直径介于10-20mm，长度为40-80mm。由于烧结后的材料塑性较差，需把试样装入包套，包套的尺寸可以依据棒状试样进行设计。

本发明提供的具有纳米晶组织的钛基多孔烧结复合材料与现有钛基复合材料相比，其优点在于：

1．本发明的具有纳米晶组织的钛基多孔烧结复合材料具有优优良的低温超塑变形能力，较现有材料的超塑变形温度降低50%，同时强度提高70.1%。因此具有纳米晶组织的钛基多孔烧结复合材料可以在结构材料领域有更广阔的的应用范围。

2.本发明形成的具有纳米晶组织的钛基多孔烧结复合材料所需的45°拐角等通道反复挤压所需载荷低，可以在很低的载荷下实现钛基多孔烧结复合材料的纳米晶组织，获得的纳米晶组织晶粒度小于300nm。