[發明專利]一種共強化法實現TC4鈦合金高強韌性的制備方法

有效

• 申請號: 202010548631.2
• 申請日: 2020-06-16
• 公開（公告）號: CN111644615B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 董龍龍;張雷;霍望圖;劉躍;李亮;張偉;盧金文;張于勝;周廉
• 申請（專利權）人: 西安稀有金屬材料研究院有限公司;西北有色金屬研究院
• 主分類號: B22F1/16
• 分類號: B22F1/16;B22F1/065;B22F3/105;B22F3/18;C22C47/14;C22C49/11;C22C49/14;C22C101/22
• 代理公司: 西安創知專利事務所 61213
• 代理人: 馬小燕

本發明公開了一種共強化法實現TC4鈦合金高強韌性的制備方法，該方法包括：一、將硼粉與TC4鈦合金球形粉經球磨得到硼包覆TC4鈦合金球形粉末；二、將硼包覆TC4鈦合金球形粉末加入到石墨烯材料溶液中攪勻后，得到石墨烯材料包覆硼包覆TC4鈦合金粉末；三、將石墨烯材料包覆硼包覆TC4鈦合金粉末依次經等離子燒結和軋制得到石墨烯?硼共強化TC4鈦合金復合材料。本發明依次在TC4鈦合金球形粉末上包覆硼和石墨烯材料，經燒結原位自生呈非連續鉤網結構分布的TiB晶須，結合原位自生的納米TiC顆粒和殘留石墨烯材料在彌散強化及固定作用，實現了TiB、石墨烯和TiC共強化的作用效果，使得復合材料具有良好的強塑性匹配。

技術領域

本發明屬于復合材料制備技術領域，具體涉及一種共強化法實現TC4鈦合金高強韌性的制備方法。

背景技術

鈦及鈦合金具有低密度，高比強度，優異的高溫性能和耐蝕性及生物相容性等特點，廣泛應用于航空航天，汽車行業和生物醫用領域等。隨著航空工業的發展，對鈦合金提出了更高的性能需求。鈦基復合材料兼具鈦合金與增強體的綜合性能，與傳統鈦合金相比，鈦基復合材料具有比強度高、耐熱，耐腐蝕性能好等優點。同時鈦基復合材料按照增強體的不同也分為很多種類，目前應用比較廣泛的是原位自生TiB晶須和TiC顆粒。TiB晶須和TiC顆粒由于具有高的硬度、彈性模量和高溫穩定性，而且其與Ti的熱膨脹系數接近，在冷卻過程中不易造成應力集中，成為了鈦基復合材料的理想增強體，并且原位自生獲得的TiB晶須和TiC顆粒與鈦合金基體可以達到原子級別的結合，且結合面光滑，無污染。石墨烯是一種碳原子以sp²雜化的形式存在的二維碳材料，具有十分優異的導電性、導熱性，以及超高力學性能。它的彈性模量和抗拉強度分別能達到1.05TPa和130GPa。科研工作者已經對石墨烯材料強化鈦基復合材料組織與性能進行了初步的探索。研究發現石墨烯增強的鈦基復合材料具有較高的比強度、比彈性模量以及良好的耐磨性等。比如采用攪拌、球磨和熱壓燒結結合的方法制備出抗拉強度為700MPa的石墨烯增強純鈦的復合材料，但是這遠遠低于工程化應用對高強度鈦合金的需求。

高強鈦合金是航天器上不可缺少的緊固件材料，不僅被用在衛星導彈，火箭飛船等設備上進行國防軍工建設，同樣也大量被大中小型客機等民品所需求。現有的高強鈦合金可以分為兩類：一類是追求更高強度的高強韌鈦合金，如Ti-55531和Ti-1300，其強度可以達到1300MPa級，斷裂韌性可以達到55MPa m^1/2。另一類是追求更高斷裂韌性的高強韌損傷容限型鈦合金，如西北有色金屬研究院研發的TC21，其強度可以達到1100MPa級，斷裂韌性可以達到70MPa m^1/2。進一步提高高強鈦合金的強度將會嚴重惡化合金的塑性、韌性等性能。現有高強韌鈦合金中，同時滿足強度＞1200MPa，斷裂韌性＞65MPa m^1/2的鈦合金目前國內外尚無明確的報道，現有的合金也都無法滿足該指標要求。

隨著我國裝備制造業的振興和國防裝備戰略材料的高指標要求，傳統的鈦合金材料將面臨“無材可選，無材可仿”的窘境。在科技發展進程中，為了進一步滿足高科技領域對高性能材料的需求，復合化是幫助金屬材料實現高性能化和功能化的有效途徑。急需開發高強韌鈦基復合材料來打破鈦合金領域面臨的困境，為國防戰略材料提供新材料，提升國防戰略裝備。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供一種共強化法實現TC4鈦合金高強韌性的制備方法。該方法依次在TC4鈦合金球形粉末上包覆硼和石墨烯材料，經燒結原位自生呈非連續鉤網結構分布的TiB晶須，而原位自生的納米TiC顆粒和殘留的石墨烯材料在彌散強化的同時將TiB晶須固定在晶界上，進一步提高TiB晶須的載荷傳遞能力，從而實現了TiB、石墨烯和TiC共強化的作用效果，使得石墨烯-硼共強化TC4鈦合金復合材料具有良好的強塑性匹配。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種共強化法實現TC4鈦合金高強韌性的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：