[发明专利]一种TiC增强超细晶β钛铌基复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种TiC增强超细晶β钛铌基复合材料的制备方法，该方法采用纯Ti粉、纯Nb粉为原料，以含碳、氢的过程控制剂作为原位自生TiC的碳源及过程控制剂，经球磨得到合金粉末，将合金粉末真空预烧除气、去应力，然后制成生坯，组装烧结单元，最后经高温超高压烧结制得TiC增强超细晶β钛铌基复合材料。本发明采用的过程控制剂作为原位自生TiC的碳源，有效的减轻了球磨过程中粉末的团聚及粘球粘壁情况，起到了细化粉末和提高出粉率的作用，同时低温预烧生成的TiC结合高温超高压烧结，有效的抑制了晶粒的长大，制备的TiC增强超细晶β钛铌基复合材料，增强体分布均匀，晶粒细小，致密度高，同时兼有高强高塑耐磨的特点。

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种TiC增强超细晶β钛铌基复合材料的制备方法。

背景技术

钛及钛合金具有密度小，比强度高，耐腐蚀，耐高、低温性能好，无毒的优良性能，被广泛应用于航空航天、机械、医疗等领域。其中，β钛合金具有较好的塑性，突出的冷成形性，优异的抗腐蚀性能而被广泛研究。进一步提升钛及钛合金的性能，比如强度、耐磨，不仅对其应用有很大的促进作用，而且在能源日益紧张的背景下，可以大幅减轻飞机、汽车的自重，减少能源消耗。纳米晶/超细晶钛及钛合金和钛基复合材料，具有很高的强度和优良的耐磨性能，然而塑性却较差甚至没有塑性，限制了其在各领域的应用。因此，制备出兼有高比强度、塑性和耐磨性能的钛合金和钛基复合材料，已经成为科研人员的一个重要课题。

华南理工大学的杨超等人的专利(CN201410490300.2)采用非晶晶化的方法制备的超细晶复合结构钛合金，解决了钛合金高强和高塑不可兼得的问题。其制备方法是将原料在球磨机中进行高能球磨，得到非晶粉末，最后经烧结晶化，制得超细晶复合结构钛合金。然而，非晶粉末的制备，需要70～100小时高能球磨，工艺难于掌控，不利于量产。刘子利等人的专利(CN20110364856.8)采用石墨粉作为原位自生TiC的碳源，将原料在球磨机中混合，最后经空心阴极烧结制得TiC颗粒增强钛-铝-钼-锰合金。此方法工艺简单，但制备的样品致密度较低，为94％～96％。顾冬冬等人的专利(CN201510454422.0)采用碳纳米管作为原位自生TiC的碳源，将碳纳米管和钛粉在球磨机中混合，最后通过激光增材制造技术制得TiC增强钛基复合材料。该方法制备的TiC增强钛基复合材料，晶粒细小，致密度高，然而球磨的方法很难将纳米级的碳纳米管均匀的分散在几十微米的钛粉中，因此制备的TiC很容易出现分布不均匀的情况。陈玉勇等人的专利(CN201010178675.7)采用石墨粉作为原位自生TiC的碳源，将石墨粉与钛粉及其他金属粉末简单混合，之后冷压成型，感应熔炼，为使增强体分布均匀，还需进行两次均匀化处理、两次锻造、一次热轧、两次退火处理，工序繁杂，成本较高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种TiC增强超细晶β钛铌基复合材料的制备方法，该方法将TiC的高强度和β钛合金的高塑性有机的结合起来，制得的TiC增强超细晶β钛铌基复合材料具有高强、高塑、耐磨的特点。

本发明一种TiC增强超细晶β钛铌基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：机械合金化

将钛粉、铌粉、碳源置于真空球磨罐中球磨，直至单质粉末合金化；

所述碳源为含C、H的过程控制剂；

所述钛粉、铌粉的添加量按质量比计钛粉：铌粉为60～75:25～40；

所述碳源的添加量为钛粉与铌粉质量之和的1～3wt％；

所述球磨介质采用直径为Φ8～Φ15mm的不锈钢球，球料比为10:1～20:1，转速为200～280r/min；球磨时间为10～15h；

步骤二：预烧