一种耐磨钛基复合材料制造技术

本发明专利技术属于钛合金材料领域，尤其涉及一种耐磨钛基复合材料。本发明专利技术提供的耐磨钛基复合材料，其原料按重量分数配比包括如下成分：Al 为5‑7%、Sn为2.5‑3.5%、Zr为4‑6%、Mo为0.4‑0.6%、Si为0.3‑0.7%，W为0.1‑0.4%，添加0.5‑5%B

【技术实现步骤摘要】
一种耐磨钛基复合材料
本专利技术属于钛合金材料领域，尤其涉及一种耐磨钛基复合材料。
技术介绍
钛合金因具有很好的耐蚀性、较高的强度、较好的高低温性能等特点，而被广泛应用在航空航天领域。随着钛合金的发展，钛合金在船舶行业、民品行业和汽车行业等，也得到了广泛的推广和应用。钛合金与钢铁材料相比，存在耐磨性低、难于切削加工等特点，阻碍了钛合金应用范围的扩大。近年来，随着钛合金应用领域的不断拓宽，以及在轨道交通行业对钛合金的广泛推广过程中，各行业对钛合金的耐磨性要求越来越高，常规的钛合金已经不能满足对材料的要求，尤其是要在轨道交通行业推广钛合金的应用，就必须增加其耐磨性。目前，通常采用表面处理方法来提高钛合金的耐磨性，但是表面处理方法例如渗氮处理，只是在钛合金表面很薄的一层（约小于1mm左右）提高了耐磨性，并没有改变钛合金基体的耐磨性；而且由于表面耐磨层很薄，其使用寿命和使用环境也有所限制。因此，提高钛合金材料组织自身的耐磨性，对于钛合金的推广应用十分有必要。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种耐磨钛基复合材料，该材料在钛合金基体上，添加B4C粉和碳粉，利用其与基体发生反应，生成含有TiB与TiC增强相的钛基复合材料，使得钛基复合材料耐磨性提高，拓宽了钛合金的使用范围及其应用技术。为了实现上述目的，本专利技术提供的耐磨钛基复合材料，其原料按重量分数配比包括如下成分：Al为5-7%、Sn为2.5-3.5%、Zr为4-6%、Mo为0.4-0.6%、Si为0.3-0.7%，W为0.1-0.4%，添加0.5-5%B4C粉和0.5-10%C粉，余量为Ti。所述的B4C粉和C粉与Ti反应，生成2.2%-2.7%的重量分数的强化相TiB，及2-6%的重量分数的强化相TiC；所述的重量分数相对于耐磨钛基复合材料原料的总重量。优选的，所述的耐磨钛基复合材料，其原料还可以添加0.01-0.2%的Pt和0.01-0.1%的La。优选的，所述的耐磨钛基复合材料，其原料还可以添加0.01-0.05%的Ta和0.01-0.1%的Ce。所述的原材料选自海绵钛（99.7wt.%）、高纯铝（99.99wt.%）、海绵锆（≥99.4wt.%）、Ti-Sn中间合金（Sn80wt.%）、Mo-Al中间合金（Mo60wt.%）、Al-Si中间合金（Si25wt.%）、B4C粉（≥99wt.%）、石墨粉（99.9wt.%）、W粉（99.9wt.%）、铈粉（≥99wt.%）、钯粉（≥99wt.%）、铊粉（≥99wt.%）、镧粉（≥99wt.%）。为了实现上述目的，本专利技术提供的耐磨钛基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤。步骤1、将各原料按重量分数进行混合，采用真空感应熔炼，熔炼过程中熔炼室真空度始终保持在10-1Pa以下；待各原料全部熔化后，得到混合熔体，使熔体在电磁搅拌作用下，保温10分钟；然后升高熔体温度至浇注温度2000±20℃，再保温5分钟；将熔体浇注到金属铸型中，自然冷却后，得到钛基复合材料铸锭。步骤2、铸锭均匀化退火处理：钛基复合材料铸锭加热到650℃，保温8小时，然后随炉冷却到室温，取出。步骤3、变形加工锻造处理：采用机加工方法将耐磨钛基复合材料铸锭加工成无缺陷的圆柱体；然后进行锻造，始锻温度为1150℃±10℃，终锻温度为950-1000℃，为了减少锻造过程中样件表面热量损失，上下锻模需要预热至600℃，工作气氛为大气，变形速率控制在0.1/s左右，总变形加工率大于80%，锻造处理后，空冷至室温。本专利技术的有益效果。本专利技术通过大量的实验验证，对各元素进行反复的配比研究并优化，严格控制各元素的含量，使本专利技术的钛基复合材料耐磨性达到最优状态，具有现有钛合金复合材料所不能及的优势；在材料配比的研究过程中，研究发现如果主元素含量配比发生变化，其性能尤其是耐磨性会受到严重的影响，达不到轨道交通行业的要求。其中，Al的含量为5-7%，铝主要起固溶强化作用，每添加1%的Al，室温抗拉强度增强约50MPa，但是，如果Al的含量超过7%，接近其极限溶解度，组织中会出现有序相，影响钛合金的塑性和韧性；Sn和Zr（Sn含量为2.5-3.5%，Zr含量为4-6%）是中性元素，超过一定范围后，会形成有序相，会降低钛合金的塑性和热稳定性；并且，Sn和Zr还能够起补充强化作用，进一步提高复合材料的耐热性，使合金具有良好的压力加工性和焊接性能；Mo是β稳定元素，体系中含0.4-0.6%Mo的钛合金不发生共析反应，在高温下组织稳定性好，还能够有效的改善合金的耐蚀性，尤其是提高合金在氯化物溶液中抗缝隙腐蚀能力，使其在沿海环境中也可以得到很好的应用。本专利技术的耐磨钛基复合材料，基体属于近α型钛合金，在高温（600℃）环境下可以使用，且具有比其他合金优异的蠕变性能，Si是可改善合金的耐热性能，硅与钛的原子尺寸差别较大，在固溶体中容易在位错处偏聚，阻止位错运动，提高钛合金的耐热性、增强钛合金的硬度；W溶解在钛中，可增强材料的塑性和韧性，提高材料的耐热性能，使得材料的使用温度升高，在复合材料摩擦生热时，仍可以保持良好的耐磨性能。但含量过多时，使残余相增多，超过其在钛中的溶解度，反而降低材料耐热性能；钯和铊的加入，可以提高材料的强度、改善材料的硬度，其与合金中的锡作用，能够抵抗酸类的腐蚀，使其在高温时的耐腐蚀性能提高和扩大钝化范围，若含量过高，不易熔解，因此本专利技术严格控制其含量；镧和铈的添加形成细小稳定的颗粒，产生弥散强化，降低了基体中的氧浓度，并促使合金中的锡转移到稀土氧化物中，这有利于抑止脆性相析出。此外，还能显著细化合金的铸态组织，提高合金的耐热性能和热稳定性能，进一步保证了钛合金材料在高温时的耐磨性能，同时还有强烈的细化晶粒的作用，保证的材料组织的均匀性。本专利技术钛基复合材料在研制过程中经过反复的试验，为了提高复合钛合金的耐磨性，本专利技术不直接添加增强相TiC和TiB，否则在经受外界加载荷作用或者工作环境有变化时，界面抵抗损伤能力低，影响材料的综合性能，尤其是耐磨性能；而利用B4C粉和碳粉与基体钛合金原位反应生成（TiC+TiB）增强钛基复合材料。B4C粉和碳粉中的C、B元素，与钛合金基体发生反应，然后在液相中形核长大，所得到的增强体与基体之间的结合强度极高，最终制得的材料性能也很好。碳粉与基体中的钛发生反应，生成TiC，B4C粉与基体中的钛发生反应，会生成TiC、TiB以及TiB2。由于过量的钛与TiB2之间能发生化学反应，使得TiB2在钛合金基体中不能稳定存在。因此，在钛合金基体中加入B4C粉和碳粉，即使在升温过程中会形成TiB2，但是由于钛的过量存在，随着钛的升温及熔化，钛也能与TiB2反应形成TiB，最后只形成TiB及TiC增强相。生成的TiB和TiC的密度分别为4.57g/cm3及4.99g/cm3，与钛的密度4.5g/cm3相近；TiB和TiC的泊松比为0.2，与钛的泊松比0.3相近。这导致了TiB和TiC与钛基体互容性好、结构稳定。增强相TiB和TiC的结构稳定，弹性模量为钛的4-5倍，与基体钛结合，使得钛基复合材料的硬度提高，其耐磨性和抗氧化性优异。本专利技术的耐磨钛基复合材料，其增强相的形态取决于凝固过程和增强相的晶体结构。从组织结构分析，TiB为有序斜方结构，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐磨钛基复合材料，其特征在于，其原料按重量分数配比包括如下成分：Al 为5‑7%、Sn为2.5‑3.5%、Zr为4‑6%、Mo为0.4‑0.6%、Si为0.3‑0.7%，W为0.1‑0.4%，添加2.2%‑2.7%TiB和2‑6%TiC，余量为Ti。

【技术特征摘要】
1.一种耐磨钛基复合材料，其特征在于，其原料按重量分数配比包括如下成分：Al为5-7%、Sn为2.5-3.5%、Zr为4-6%、Mo为0.4-0.6%、Si为0.3-0.7%，W为0.1-0.4%，添加2.2%-2.7%TiB和2-6%TiC，余量为Ti。2.如权利要求1所述的耐磨钛基复合材料，其特征在于，所述的耐磨钛基复合材料，其原料可以包括0.01-0.2%的Pt和0.01-0.1%的La。3.如权利要求1和2任一所述的耐磨钛基复合材料，其特征在于，所述的耐磨钛基复合材料，其原料还包括添加0.01-0.05%的Ta和0.01-0.1%的Ca。4.如权利要求1所述的耐磨钛基复合材料，其特征在于，所述的原材料选自海绵钛（99.7wt.%）、高纯铝（99.99wt.%）、海绵锆（≥99.4wt.%）、Ti-Sn中间合金（Sn80wt.%）、Mo-Al中间合金（Mo60wt.%）、Al-Si中间合金（Si25wt.%）、B4C粉（≥99wt.%）、石墨粉（99.9wt.%）、W粉（99.9wt.%）、铈粉（≥99wt.%）、钯粉（≥99wt.%）、铊粉（≥99wt.%）、镧粉（≥99wt.%）。5.如权利要求1所述的耐磨钛基复合材料，其特征在于，所述的耐磨钛基复合材料，其原料按百分比为Al6.5%、Sn3%、Zr5%、Mo0.5%、Si0.4%、W0.1%、B4C粉0.9%、C粉4.1%，其余为Ti。6.如权利要求1所述的耐磨钛基复合材料，其特征在于，所述的耐磨钛基复合材料，其原料按重量百分比为Al6%、Sn3%、Zr5%、Mo0.5%、Si0.4%、W0.2%、Pt0.1%、La0.01%、B4C粉0.9%、C粉2.1%，其余为Ti。7.如权利要求1所述的耐磨钛基复合材料，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：周杰，徐俊阳，单宇航，
申请(专利权)人：沈阳泰恒通用技术有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21