[發明專利]一種燒結預分散石墨復合氫化鈦制備鈦基復合材料的方法

有效

• 申請號: 202011012689.1
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112281009B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 楊超;陳濤;屈盛官;李元元;洪振軍;賈冬生;盧知淵;王卓
• 申請（專利權）人: 華南理工大學;內蒙古第一機械集團股份有限公司
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C14/00;C22C32/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 楊燕瑞

本發明屬于有色金屬加工技術領域，公開了一種燒結預分散石墨復合氫化鈦制備鈦基復合材料的方法及其制備得到的復合材料，具體為以氫化鈦粉末和石墨粉末為原料采用粉末冶金成形TiC增強鈦基復合材料。本發明方法先利用聚乙烯吡咯烷酮對石墨粉進行預分散，再將其附著于氫化鈦表面燒結成形，解決直接將氫化鈦與石墨粉物理混合存在的粉末團聚、合金性能差等問題。所得TiC增強鈦基復合材料的抗拉強度可為535MPa，斷后伸長率可為10％，優化后的磨損體積相比純鈦降低15％，相比文獻報道的以氫化鈦為原料制備的鈦基復合材料實現拉伸塑性大幅提升的突破；可應用于航空航天、裝甲車、兵器、船舶、汽車領域中的高強件或耐磨結構件的制備中。

技術領域

本發明屬于有色金屬加工技術領域，特別涉及一種燒結預分散石墨復合氫化鈦制備鈦基復合材料的方法及其制備得到的復合材料，具體為以氫化鈦粉末和石墨粉末為原料采用粉末冶金成形TiC增強鈦基復合材料。

背景技術

鈦作為儲量豐富的有色金屬材料，具有高力學強度、低密度、優異的生物相容性和出色的耐腐蝕性能，廣泛應用于航天工業、軍工兵器、能源、化工、船舶等領域。為滿足現代工業對鈦提出的高要求，其必須在不斷提高力學性能和服役溫度的同時降低生產成本。

制備鈦基復合材料可有效提高鈦的力學性能和服役溫度，其綜合了鈦基體的延展性和增強相的高強度，并提高了鈦合金的服役溫度與耐摩擦性能。通常，增強相的引入可分為外加法與內生法。內生法的增強相是在合金成形過程中原位反應生成，因此具有界面結合能力優異、尺寸可控等優點，從而得到廣泛應用。在眾多的增強相中，TiC顆粒由于具有與鈦基體相近的熱膨脹系數和優異的界面結合能力而成為粉末冶金制備鈦基復合材料最佳的增強相選擇。目前，粉末冶金成形鈦基復合材料多以昂貴的純鈦粉為原料配合機械合金化制備復合粉末，后續采用真空燒結結合熱機械處理或高能源消耗型的壓力輔助燒結制備高致密度合金，其生產成本較高。因此，降低成本是鈦基復合材料重要發展方向。

以氫化鈦粉末為原料制備鈦合金是近年來降低其成本的重要方法。氫化鈦成本較純鈦粉低，并且，氫化鈦升溫脫氫相變可促進鈦燒結致密化行為，以及，氫可與鈦粉表面氧化層反應而降低成形后合金氧含量，使制備的合金致密度高、力學性能優異。然而，燒結氫化鈦制備的復合材料面臨如下問題：一、氫化鈦的本征脆性使其在機械合金化制備復合粉末過程中極易破碎為納米粉末而引入大量雜質，導致合金性能極差；二、將增強相原料粉末和氫化鈦直接混合存在增強相團聚、尺寸過大和燒結后致密度低等問題；因此，制備的復合材料增強效果差，綜合性能差。目前，參考文獻1(O.M.Ivasishin等，Journal of MaterialsProcessing Tech.269(2019)172-181)利用氫化鈦為原料外加TiC、TiB制備Ti-6Al-4V復合材料，其拉伸塑性小于1％；參考文獻2(N.Peillon等，Journal of Alloys andCompounds.619(2015)157-164)混粉外加TiC顆粒至氫化鈦中制備鈦基復合材料，其氧含量為2.1wt.％，遠高于鈦合金塑性的臨界氧含量(0.33％)，本領域技術人員根據其氧含量可知該材料基本沒有拉伸塑性，因而力學性能僅報道硬度；對于結構材料而言，基體中存在的孔洞對拉伸性能的惡化作用遠高于壓縮性能，參考文獻3(Jing Zeng等，Metals.(2018)8303)利用氫化鈦為原來結合球磨法制備TiB增強鈦基復合材料，其基體中存在尺寸大且數量多的孔洞，因而其也基本沒有拉伸塑性，力學性能僅報道高溫壓縮性能。根據文獻可知，現有技術存在以下問題：

(1)成本高：鑄造法制備鈦基復合材料時需要高熔煉溫度(＞1668℃)而消耗大量能源；并且，鑄造鈦材料的材料利用率低。以粉末冶金制備鈦基復合材料大多以純鈦粉為原料結合機械合金化、高能源消耗型的壓力輔助燒結(熱等靜壓等)以制備增強相尺寸小、分布均勻的復合材料；因此粉末冶金鈦基復合材料的原料成本和加工成本都較高。