[發明專利]原位合成TiC顆粒增強鈦-鋁-釩合金材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201210370080.0
• 申請日: 2012-09-27
• 公開（公告）號: CN102864336A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 劉希琴;劉子利;王懷濤;劉伯路;王文靜
• 申請（專利權）人: 蘇州東海玻璃模具有限公司
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/05
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 程化銘

技術領域

本發明涉及一種原位合成TiC顆粒增強鈦-鋁-釩合金材料，屬于粉末冶金技術領域。本發明還涉及上述合金材料的制備方法。

背景技術

鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬，其熔點為1670℃。鈦合金因具有比強度高、屈強比高、耐蝕性好等特點成為理想的航天工程結構材料而獲得廣泛的應用。

室溫下，鈦合金有三種基體組織，鈦合金也就分為以下三類：α合金,(α+β)合金和β合金。中國分別以TA、TC、TB表示。按用途可分為結構鈦合金和高溫鈦合金(使用溫度大于400℃)。目前使用最廣泛的鈦合金是工業純鈦（TA1、TA2和TA3），Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和Ti-6Al-4V(TC4)，其中1954年美國研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的75％～85％。

隨著航空、宇航、軍工等尖端工業技術的飛速發展和石油與化學工業等民用工業領域的巨大市場潛在需求，高性能鈦合金的研發受到空前重視和發展：

（1）高溫鈦合金：目前已成功地應用在軍用和民用飛機發動機中的500~600℃高溫鈦合金有英國開發的以α相固溶強化的IMI829、IMI834合金，美國通過犧牲疲勞強度來提高蠕變強度的方法開發Ti-4242S、Ti-1100合金，俄羅斯的BT18Y、BT36合金等，中國開發了Ti-5.3Al-4sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd?(Ti55)和Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si-1Nd?(Ti66)。

（2）結構鈦合金向高強、高塑、高強高韌、高模量和高損傷容限方向發展，為適應更高強度和韌性的要求(如強度提高至1275～1373MPa,比強度提高至29～33,彈性模量提高至196GPa),近年研制了許多新型高強韌性能β鈦合金,如美國的Ti-10V-2Fe-3Al?(Ti1023)，Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti153)、Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si(β21S)；英國的Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si(IMI500)，日本的SPF00、CR800、SP700和前蘇聯的BT22等。

目前新型高溫鈦合金主要是α鈦合金和α+β鈦合金，一般在退火狀態下使用且溫度不超過600℃，α+β鈦合金可進行熱處理強化，但淬透性較低，強化熱處理后斷裂韌性也降低，因此新型高溫鈦合金的強度性能遠低于新型高強韌性能β鈦合金。然而，β鈦合金熱穩定性較差，不宜在高溫下使用。因此，目前采用合金化技術通過固溶強化和熱處理時效析出強化手段開發的新型鈦合金材料難以兼顧高強韌性能和耐熱性能。

在鈦合金中加入高強度、高剛度的增強相可以進一步提高其比彈性模量、比剛度、力學性能、疲勞和抗蠕變能力，并克服了原鈦合金耐磨性及高溫性能差等缺點，已成為超高音速宇航飛行器和先進航空發動機的候選材料。與纖維和晶須增強復合材料相比，顆粒增強鈦合金材料制備工藝簡單，容易實現，所制備的材料各向同性，而且材料性能對增強相和基體的熱膨脹系數失配的敏感性也較低，更重要的是可以用傳統的鈦合金熔煉和加工工藝制備大尺寸零件，顯著降低材料的成本。在顆粒增強相選擇上，一方面為避免熱殘余應力，增強顆粒相與基體的熱膨脹系數應相近；另一方面增強顆粒相和基體的化學相容性好，以避免高溫條件下與鈦合金基體發生界面反應,降低界面結合強度。目前常用的增強相有：TiB和TiC，以及稀土氧化物等。與傳統增強顆粒相外加法制得的材料相比，原位合成顆粒增強鈦合金材料有以下優點：制備工藝簡單，容易實現，所制備的材料各向同性，而且材料性能對增強相和基體的熱膨脹系數失配的敏感性低、力學上穩定，因此在高溫工作時，性能不易退化；增強相和基體的界面干凈，沒有界面反應物；原位生成的增強相在基體中分布均勻，表現出優良的力學性能。例如，上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室采用熔鑄法制備了TiB及TiC原位反應顆粒增強鈦鋁合金材料。