[發(fā)明專利]原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-鉬-硅合金材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210371312.4
• 申請(qǐng)日: 2012-09-27
• 公開（公告）號(hào): CN102851541A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉子利;劉希琴;費(fèi)飛;周桂斌;朱曉春
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘇州東海玻璃模具有限公司
• 主分類號(hào): C22C14/00
• 分類號(hào): C22C14/00;C22C1/05
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 程化銘

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種原位合成TiC顆粒增強(qiáng)鈦-鋁-鉬-硅合金材料，屬于粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明還涉及上述合金材料的制備方法。

背景技術(shù)

鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，其熔點(diǎn)為1670℃。鈦合金因具有比強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、耐蝕性好等特點(diǎn)成為理想的航天工程結(jié)構(gòu)材料而獲得廣泛的應(yīng)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(guó)分別以TA、TC、TB表示。按用途可分為結(jié)構(gòu)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(yè)純鈦（TA1、TA2和TA3），Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和Ti-6Al-4V(TC4)，其中1954年美國(guó)研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐熱性、強(qiáng)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(yè)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(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展和石油與化學(xué)工業(yè)等民用工業(yè)領(lǐng)域的巨大市場(chǎng)潛在需求，高性能鈦合金的研發(fā)受到空前重視和發(fā)展：

（1）高溫鈦合金：目前已成功地應(yīng)用在軍用和民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的500~600℃高溫鈦合金有英國(guó)開發(fā)的以α相固溶強(qiáng)化的IMI829、IMI834合金，美國(guó)通過(guò)犧牲疲勞強(qiáng)度來(lái)提高蠕變強(qiáng)度的方法開發(fā)Ti-4242S、Ti-1100合金，俄羅斯的BT18Y、BT36合金等，中國(guó)開發(fā)了Ti-5.3Al-4sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd?(Ti55)和Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si-1Nd?(Ti66)。

（2）結(jié)構(gòu)鈦合金向高強(qiáng)、高塑、高強(qiáng)高韌、高模量和高損傷容限方向發(fā)展，為適應(yīng)更高強(qiáng)度和韌性的要求(如強(qiáng)度提高至1275～1373MPa,比強(qiáng)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(qiáng)韌性能β鈦合金,如美國(guó)的Ti-10V-2Fe-3Al?(Ti1023)，Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti153)、Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si(β21S)；英國(guó)的Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si(IMI500)，日本的SPF00、CR800、SP700和前蘇聯(lián)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(tài)下使用且溫度不超過(guò)600℃，α+β鈦合金可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，但淬透性較低，強(qiáng)化熱處理后斷裂韌性也降低，因此新型高溫鈦合金的強(qiáng)度性能遠(yuǎn)低于新型高強(qiáng)韌性能β鈦合金。然而，β鈦合金熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。因此，目前采用合金化技術(shù)通過(guò)固溶強(qiáng)化和熱處理時(shí)效析出強(qiáng)化手段開發(fā)的新型鈦合金材料難以兼顧高強(qiáng)韌性能和耐熱性能。

在鈦合金中加入高強(qiáng)度、高剛度的增強(qiáng)相可以進(jìn)一步提高其比彈性模量、比剛度、力學(xué)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(diǎn)，已成為超高音速宇航飛行器和先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的候選材料。與纖維和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料相比，顆粒增強(qiáng)鈦合金材料制備工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，所制備的材料各向同性，而且材料性能對(duì)增強(qiáng)相和基體的熱膨脹系數(shù)失配的敏感性也較低，更重要的是可以用傳統(tǒng)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(qiáng)相選擇上，一方面為避免熱殘余應(yīng)力，增強(qiáng)顆粒相與基體的熱膨脹系數(shù)應(yīng)相近；另一方面增強(qiáng)顆粒相和基體的化學(xué)相容性好，以避免高溫條件下與鈦合金基體發(fā)生界面反應(yīng),降低界面結(jié)合強(qiáng)度。目前常用的增強(qiáng)相有：TiB和TiC，以及稀土氧化物等。與傳統(tǒng)增強(qiáng)顆粒相外加法制得的材料相比，原位合成顆粒增強(qiáng)鈦合金材料有以下優(yōu)點(diǎn)：制備工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，所制備的材料各向同性，而且材料性能對(duì)增強(qiáng)相和基體的熱膨脹系數(shù)失配的敏感性低、力學(xué)上穩(wěn)定，因此在高溫工作時(shí)，性能不易退化；增強(qiáng)相和基體的界面干凈，沒有界面反應(yīng)物；原位生成的增強(qiáng)相在基體中分布均勻，表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能。例如，上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用熔鑄法制備了TiB及TiC原位反應(yīng)顆粒增強(qiáng)鈦鋁合金材料。