[發明專利]一種高溫鈦基復合材料控制硅化物特征的方法

在審

• 申請號: 202010185948.4
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111188001A
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 趙而團;孫世臣;胡辰;于金瑞;安鈺坤
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: C22F1/18
• 分類號: C22F1/18;C22C14/00;C22C32/00;C22C1/10
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本發明涉及鈦基復合材料領域，具體是一種高溫鈦基復合材料控制硅化物特征的制備方法。具體步驟為：一、確定基體合金成分和增強相含量，控制Zr和Si元素含量比例；二、計算并稱取原料，在真空感應電爐內熔煉，制備高溫鈦基復合材料鑄錠；三、將步驟二的鑄錠進行成分均勻化退火，然后進行開坯鍛造；四、將步驟三開坯鍛后的鑄錠進行多向鍛造，并空冷；五、將步驟四中鍛造后空冷的高溫鈦基復合材料進行熱處理。所得復合材料基體組織為等軸組織，硅化物特征為：硅化物均勻彌散分布在α/β相界和α相內，硅化物體積分數為2%?5%，形態為球狀顆粒，尺度約為50?100nm。

技術領域

本發明涉及一種金屬復合材料制備工藝，特別是一種控制硅化物特征的高溫鈦基復合材料制備工藝。

背景技術

隨著我國航空航天事業的飛速發展，迫切需求輕質、高溫、高強結構材料。高溫鈦合金高溫下高強度、抗氧化性能好、抗蠕變性能以及抗疲勞性能優異，是先進航空航天發動機和火箭推進系統中主要的高溫結構材料。以高溫鈦合金為基體，以陶瓷顆粒為增強相的顆粒增強高溫鈦基復合材料，具有眾多優良特點，其高溫強度、蠕變抗力、比剛度、抗沖擊性、疲勞性能等都比單一材料性能有所提高，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。

高溫鈦基復合材料的基體高溫鈦合金中，Si是重要的合金化元素，幾乎所有的高溫鈦合金中都含有0.1%-0.5%的Si。硅元素在高溫鈦合金中通常以固溶或硅化物的形式存在。在時效和熱暴露過程中，均勻細小彌散析出的硅化物沉淀析出，會強烈釘扎位錯運動，阻礙位錯滑移和攀移，從而顯著改善合金高溫蠕變性能，提高強度。但在長時間時效和熱暴露過程中會造成硅化物析出數量較多，尺寸變大，分布不均勻，且伴隨有α₂相析出，大大惡化材料的塑性，降低材料性能。

在高溫鈦基復合材料中，本身由于增強相的存在，材料塑性不高，如果不能很好的控制硅化物的析出，更會惡化材料性能，無法體現出高溫鈦基復合材料性能優勢。控制硅化物的析出特征，和增強相起到協同強化作用，可以大大提高材料的性能和服役安全性。從現有公開的技術手段和文獻資料來看，硅化物是利用熱處理調控組織時的一種附屬產物，目前沒有針對控制硅化物析出特征的方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠控制高溫鈦基復合材料中硅化物特征的方法，從而解決高溫鈦基復合材料中硅化物析出不均勻，尺寸大，惡化材料性能的問題。本發明所述的控制高溫鈦基復合材料中硅化物特征的方法，具體步驟包括：

步驟一：高溫鈦基復合材料的成分確定，基體合金為Ti-Al-Sn-Zr-Mo-W-Nb-Si系，增強相為TiB、TiC中的一種或者兩種的混合，增強相的體積分數為1%-5%；材料成分按照重量百分比組成為：5%-9%Al、4%-7%Sn、4%-10%Zr、0.5%-2%Mo、0-1%Nb、0-2%W、0.2%-0.7%Si，余量為Ti，其中Zr：Si含量比值控制范圍為：10:1-30:1。

步驟二：稱取海綿鈦，海綿鋯，高純鋁，高純錫，鋁鉬中間合金，鋁鈮中間合金，鋁鎢中間合金，TiB₂粉或者石墨粉，其中因中間合金引入的鋁從純鋁中扣除，純鋁的補償量為3%-6%，鋯的補償量為4%-10%，錫的補償量為3%-8%；配料后利用水冷銅坩堝真空感應熔煉爐熔煉，澆注到金屬型模具中，獲得高溫鈦基復合材料鑄錠。

步驟三：將步驟二中的鑄錠在650℃進行8h均勻化退火，然后在β相變點以上20-60℃開坯鍛造。

步驟四：將步驟三中的鑄錠，在熱處理爐中加熱到相變點以下10-40℃，保溫20min-60min。隨后取出進行多向鍛造，鍛造工藝為：XYZ三個方向變形量相等，變形量為30%-50%，變形速率0.05-0.5s^-1，鍛造道次為1-4道次，鍛后空冷。

步驟五：將步驟四中鍛后空冷試樣放于加熱爐中，加熱到600℃-800℃，保溫20min-60min，空冷，得到高溫鈦基復合材料。