[发明专利]一种基于原位TiC表面强化钛及钛合金零部件的制备方法

说明书

一种基于原位TiC表面强化钛及钛合金零部件的制备方法，属于工程材料领域领域。本发明将钛原料粉末与粘结剂根据成型需求按比例混合配料，获得均匀的成形料，按照目标形状通过注射成形或凝胶注模成形得到坯体，脱脂后再在表面刷覆墨汁，烧结后在表面原位形成TiC强化层，显著提升钛及钛合金的耐磨性能。本发明不仅能制备形状复杂、精度高的钛基零部件，在保证钛基结构材料内部高塑性的前提下，还可以获得高的表面硬度，提高零部件的耐磨性。将近净成形技术与原位合成技术结合，在做到近终成形的同时提高材料利用率，工艺过程简单，加工制造成本低。

技术领域

本发明属于工程材料领域，提供了包括注射成形及凝胶注模成形等多种成型方式制备原位TiC表面强化钛及钛合金零部件的制备方法。

背景技术

钛及钛合金密度低，比强度、比断裂韧性高，有较好的抗氧化性和耐腐蚀性，低温韧性和抗裂纹扩展能力优异，是一种具有巨大潜力的结构材料。目前，钛合金较多被应用在航空航天和军事工业上，包括军用飞机、民用飞机、航空发动机、航天器、人造卫星壳体连结座、高强螺栓、燃料箱、弹头壳体、发动机的叶轮盘等，随着现代科学技术的发展，除了钛合金轻质高强外，还对钛材的耐磨性提出了更高的要求。

目前，大多数金属表面处理方法都可应用到钛合金的表面处理上，包括金属电镀、化学镀、热扩散、阳极氧化、热喷涂、低压离子工艺、电子和激光的表面合金化、非平衡磁控溅射镀膜、离子氮化、PVD法制膜、离子镀膜、纳米技术等，然而，由于钛或钛合金基体表面有一层致密的氧化物膜，后处理的方法不易进行。如果能在钛零件表面形成致密氧化膜前对钛合金表面进行强化处理，高效低成本。其中，TiC颗粒具有优异的耐磨性，且线膨胀系数与钛基体(9.41-10.03)×10^-6/K相近，是常用的耐腐增强相。一般可通过外加或原位合成的方式制备获得TiC强化的钛基材料，其中原位合成法则是利用基体与增强相先驱体发生化学反应原位合成细小增强相，最终获得高性能钛基复合材料。与前者相比，该方法制备的材料中增强相热稳定性好，高温下不易分解；增强相与基体界面结合良好无污染，增强体尺寸和分布在一定程度上可控。但是，TiC强化的钛基材料表面硬度大幅度提高，带来难切削加工难题，使得获得复杂形状TiC强化的钛基零部件困难，生产高。因此，如何实现原位TiC表面强化复杂形状钛及钛合金零部件是目前的研究难点之一。

发明内容

本发明提供了一种基于原位TiC表面强化钛及钛合金零部件的制备方法，将近净成形技术与原位合成技术结合，利用注射成形或凝胶注模成形工艺直接成形复杂形状钛合金坯体，脱脂后钛合金坯体中的有机粘结剂被脱除，此时坯体不致密，再在表面刷覆墨汁，烧结过程中表面刷覆墨汁中的碳与钛基体反应，在表面原位生成细小均匀的TiC颗粒，并实现烧结致密化，最终直接获得原位TiC强化的复杂形状钛及钛合金零部件。通过在钛材料复杂成形后烧结前(钛还未发生高温氧化时)对结构件表面进行沾墨处理，其在后续的烧结过程中会与表面钛反应生成耐磨相TiC，使其烧结致密化的同时也实现零件表面强化，并省去了后续通过切削加工。一方面实现了钛基材料的表面强化，另一方面几乎未增加多余步骤，极大简化了表面处理工艺，既有工艺简单、降低成本的优势，同时便于实现自动化生产线。

为了获得所需的基于原位TiC表面强化钛及钛合金零部件，其特征在于，制备步骤如下：

(1)成形料制备：将钛原料粉末和粘结剂根据成型需求按比例混合，采用密炼或球磨方式进行混料，混料时间0.5～2h，获得均匀的成形料；

(2)坯体成型：将步骤(1)中的成形料按照目标形状要求选择注射成形或凝胶注模成形进行成型得到坯体；

(3)脱脂：将步骤(2)中的坯体在250～650℃下进行脱脂，脱脂气氛为高纯氩气，保温2～6h，得到脱脂坯体；

(4)坯体表面处理：在步骤(3)中的脱脂坯体表面刷覆墨汁2～10层，并在室温下干燥10～30min；