[發明專利]一種低成本工業化生產TiC顆粒增強鈦基復合材料的方法

有效

• 申請號: 201711437226.8
• 申請日: 2017-12-26
• 公開（公告）號: CN108193064B
• 公開（公告）日: 2020-03-20
• 發明（設計）人: 張策;郭志猛;王海英;陳勇;盧廣鋒
• 申請（專利權）人: 天鈦隆（天津）金屬材料有限公司
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C14/00;C22C32/00
• 代理公司: 天津展譽專利代理有限公司 12221
• 代理人: 陳欣

本發明提供了一種低成本工業化生產TiC顆粒增強鈦基復合材料的方法，屬于鈦基復合材料制備技術領域。該方法的特征在于將氫化脫氫生產鈦粉過程與復合材料增強相的加入過程進行一體化集成，具體包括以下步驟：將海綿鈦原料加入臥式旋轉氫化爐進行氫化、破碎、脫氫后直接通入CH₄氣體在700～900℃進行氣固相反應，反應后鈦粉表面均勻分布細小碳質點，再經過冷等靜壓成型和真空燒結得到原位生成的TiC顆粒增強鈦基復合材料。本發明優點在于：一體化全流程工業化生產TiC顆粒增強鈦基復合材料，材料增強相分布均勻，綜合力學性能優異，成本低廉，適合進行大規模的工業化推廣。

技術領域

本發明涉及復合材料制備技術領域，特別提供了一種短流程的工業化生產TiC顆粒強化鈦基復合材料的方法。

背景技術

隨著新技術革命浪潮的推進，傳統的鈦及鈦合金已經越來越難以滿足高技術的要求。鈦基復合材料是指在鈦或鈦合金中引入增強體的一種復合材料。它兼具基體的延展性、韌性與增強體的高強度、高模量，從而獲得比鈦或鈦合金更高的比強度、比剛度和抗高溫性能，并且有優異的可設計性，因此近年日益受到國內外研究者的重視。

顆粒增強鈦基復合材料中增強體的種類、尺寸和分布以及增強體與基體的界面結合性能都影響最終復合材料的性能。TiC在熱力學上與鈦及鈦合金相容，密度和泊松比與鈦相近，膨脹系數相差在50％以內，而且TiC的楊氏模量為440GPa，為鈦的4倍，抗拉強度遠比鈦基體大，因此采用TiC作為增強顆粒，不僅性能優異，而且成本很低，適合工業化推廣。

TiC顆粒強化鈦基復合材料的粉末冶金制備方法一般是將鈦粉和石墨烯，碳纖維，石墨纖維等碳的同素異形體進行混料后進行壓制燒結原位生成TiC顆粒或者直接外加TiC顆粒制備TiC顆粒增強鈦基復合材料，如專利號為CN104073750A,CN102382998A,CN106623899A等的中國專利公開的均是這種方法。但這種方法存在一些問題：(1)增強相的分布：外加固體顆粒的方法制備TiC增強鈦基復合材料的增強相分布不均勻，尤其是當加入的是石墨烯等納米級粉末，普通的混料過程難以將團聚的納米粉末分散開，因此如何獲得均勻分布的TiC顆粒是首要解決的問題；(2)工藝方法的優化：外加固體顆粒的方法首先需要制備元素粉，包括純鈦粉，碳基的粉末(石墨烯，石墨粉，碳纖維等)，然后再進行混粉，壓制燒結等后續過程制備鈦基復合材料。工藝過程較為復雜，成本高。而通過氣固相方式引入TiC增強相的方式實現了和氫化脫氫制備鈦粉工藝的一體化集成，大大縮短了工藝流程，保證了產品質量的同時降低了生產成本，適合進行工業化推廣。這種TiC增強顆粒制備鈦基復合材料的方法目前還未見報道。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對目前普遍采用的外加碳基粉末制備TiC顆粒增強的鈦基復合材料所存在的不足和缺陷，提供一種氣固相反應制備TiC顆粒增強鈦基復合材料的制備方法。

本發明所要解決的又一技術問題是工藝簡單，成本較低的TiC顆粒增強鈦基復合材料的制備方法。

本發明解決上述問題所采用的是低成本生產TiC顆粒增強鈦基復合材料的全流程的粉末冶金工藝，即在氫化脫氫生產鈦粉工藝后利用氫化爐的余熱通入一定流速的CH₄氣體，CH₄氣體裂解在鈦粉表面形成細小的碳質點，隨后在真空燒結過程中長大成為微米級的TiC第二相顆粒，從而獲得了高性能的TiC顆粒增強鈦基復合材料。所述方法包括以下步驟：

(1)將海綿鈦放入旋轉氫化爐中，加熱至500～800℃，保溫30～120min，隨后通入高純氫氣至0.03～0.2MPa氫化處理5～12h；

(2)將氫化處理后物料在氬氣氛圍進行球磨處理，處理后粉末粒度為5～50μm；

(3)將上述粉末放入再次放入旋轉氫化爐中抽真空加熱至600～800℃進行脫氫，保溫時間為5～12h；