[發明專利]一種微/納顆粒增強鈦基復合材料的等溫超塑性變形方法

有效

• 申請號: 201910702890.3
• 申請日: 2019-07-31
• 公開（公告）號: CN110284089B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 韓遠飛;邱培坤;呂維潔;黃光法;毛建偉;樂建溫
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22F1/18
• 分類號: C22F1/18;C22C1/10;C22C14/00;C22C32/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 莊文莉

本發明公開了一種微/納顆粒增強鈦基復合材料的等溫超塑性變形方法，包括如下步驟：A、利用原位自生技術制備硼化鈦和稀土氧化物微/納顆粒混雜增強鈦基復合材料，對復合材料進行兩次以上真空自耗熔煉；B、將復合材料于β單相區進行開坯鍛造，變形量大于或等于50％；將復合材料在(α+β)兩相區進行等溫鍛造，變形量大于或等于60％，得到鈦基復合材料鍛坯；C、將鈦基復合材料鍛坯在近β相區進行熱軋制，變形量大于或等于80％，經退火處理，即得。本發明利用等溫鍛造技術和熱軋制加工成形，能夠有效細化基體組織，提高材料成形率；且板材在800～1000℃、5×10^?3～10^?4s^?1變形工藝范圍內具有優良的超塑性。

技術領域

本發明屬于金屬基復合材料領域，具體涉及一種微/納顆粒增強鈦基復合材料的等溫超塑性變形方法。

背景技術

隨著航空航天科學技術的快速發展，對航空航天飛行器用結構材料的比強度、比剛度和耐熱能力要求越來越高，為適應這一發展趨勢，作為高性能輕質鈦合金，正成為當前高技術新材料領域備受重視的新型結構材料之一。目前認為，傳統鈦合金通過合金化元素優化以及組織結構的優化基本達到了性能提高的極限。而對于進一步拓展高強、高模鈦合金的服役溫度范圍，提出通過添加穩定的增強體來提高鈦合金的高強度和高模量，出現了從固溶強化鈦合金向鈦基復合材料轉移的發展趨勢。顆粒增強鈦基復合材料由于其優異的比強度、比剛度、耐磨性、抗高溫氧化、抗蠕變性能，被認為是一種能突破現有高溫鈦合金熱強性的新一代航空航天材料。原位自生技術是目前制備顆粒增強鈦基復合材料的主流研究方向，制備得到的鈦基復合材料中增強體與基體的相容性好，避免了增強體與基體間的界面反面問題，且增強體與基體界面結合良好，對提高顆粒增強鈦基復合材料的力學性能和服役溫度具有重要的意義。但在大多數情況下，由于高強高模陶瓷顆粒增強體的加入，伴隨著復合材料強度的提高，塑性和韌性也會下降，強度和塑性呈現倒置關系。并且國內外對顆粒增強鈦基復合材料的研究主要圍繞相對簡單的結構體系展開，材料的組織特征也主要集中在單元、兩元同尺度且尺寸在微米級以上，對多尺度、多相等多層次的組織構筑尚未開展充分研究。而隨著對納米結構材料研究的長足進步和各類納米技術的迅猛發展，使在納米-微米-宏觀等不同尺度上對金屬材料的制備逐成為可能，為鈦基復合材料強韌化研究提供了全新的契機。有研究表明，納米陶瓷顆粒可以有效的增強金屬基復合材料的塑性，且低體積分數的納米顆粒可以在提高材料強度的同時不降低材料的延伸率。此外，稀土元素，如鑭元素，可與基體中的氧結合，形成納米稀土氧化物，細化組織，改善鈦基復合材料的瞬時高溫強度和蠕變強度。

對于顆粒增強鈦基復合材料而言，鈦合金基體在低溫下的穩定相是密排六方結構的α相，滑移系較少，在成形過程中易于發生開裂行為；且由于陶瓷顆粒增強體的存在，也使得復合材料后續加工性差，變形抗力大，對熱加工溫度、應變速率、冷卻速度等工藝參數的變化敏感，常規的加工方法難以實現有效調控和優化鈦基復合材料的組織和性能。超塑性變形是一種高效率的近凈成形技術，既可以節約原材料，減輕結構件質量，又能夠大幅度降低材料加工成本，并且成形尺寸精度高，對于促進鈦基復合材料的工程化應用具有重要的現實意義。利用復合材料的超塑性可以加工傳統加工方法難以加工的零件，在航空航天、船舶等方面獲得越來越廣泛的應用。國外的Superform Metal、BAK Airbus和TKR等超塑成形公司在超塑性成形技術方面已具有較為成熟且廣泛的應用研究。國內超塑性變形工藝的研究起步于20世紀70年代，并已將鈦合金的超塑成形技術成功應用于航空工業的衛星部件、導彈外殼及發動機等方面。目前，國內外對顆粒增強鈦基復合材料的超塑成形技術研究則相對較少，利用超塑性變形的手段來擴大材料的加工窗口、優化超塑性變形工藝的研究也不夠完善。因此，發展這種微/納顆粒鈦基復合材料的新型超塑成形工藝，消除復合材料在常溫下成形能力差的問題，對解決重大工程用金屬構件精密成形的關鍵技術具有重要的科學意義和巨大的應用前景。

發明內容

本發明的目的是提供一種微/納顆粒增強鈦基復合材料的超塑性變形方法，解決顆粒增強鈦基復合材料變形抗力大，加工成形難等問題，為該材料的近凈成形提供技術指導。