一种硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料及其制备方法技术

技术编号:18570044 阅读:195 留言:0更新日期:2018-08-01 06:10
一种硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料及其制备方法,该复合材料包括基体和增强相;其中,基体为纯钛或钛合金;增强相为TiB纳米晶须,其含量为0.5~12vol.%,TiB纳米晶须的分布具有网状编织结构。钛合金包括α、α+β及β钛合金。本发明专利技术采用纳米硼或纳米硼化物作为生成TiB纳米晶须的原料,与纯钛粉或钛及合金元素的混合粉或钛合金预制合金粉末混合成为坯料,通过选择性的放电等离子体低温加压烧结致密化,获得网状编织分布的TiB纳米晶须。本发明专利技术获得的钛基复合材料的抗拉强度明显提高,同时拉伸塑性得到优异的保持,伸长率可达20%以上。本发明专利技术解决了现有技术制备钛基复合材料强度虽高但是在承受拉伸载荷条件下塑性差的这一长期存在的关键问题。

Titanium boride nanocrystalline whisker reinforced titanium matrix composite and preparation method thereof

A titanium nano whisker reinforced titanium matrix composite and its preparation method, which consists of pure titanium or titanium alloy, and the reinforced phase is TiB nano whisker with a content of 0.5 to 12vol.%, and the distribution of TiB nanometers has a network woven structure. Titanium alloys include alpha, alpha + and beta - titanium alloys. Nano boron or nano boride is used as raw material for producing TiB nanocrystalline whiskers. It is mixed with pure titanium powder or titanium and alloy elements or titanium alloy prefabricated alloy powder to become billets. TiB nanocrystalline whiskers have been obtained by sintering and densification by selective discharge plasma at low temperature. The tensile strength of the titanium matrix composite material obtained by the invention is obviously improved, and the tensile plasticity is excellent maintained, and the elongation can reach more than 20%. The invention solves the long-standing key problem that the strength of the titanium matrix composite material prepared by the prior art is high but the plasticity is poor under the condition of bearing tensile load.

【技术实现步骤摘要】
一种硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及可作为先进结构、功能材料应用的金属基纳米结构复合材料
,针对实现一种硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料及其制备方法。
技术介绍
钛基复合材料是指在钛或钛合金基体中引入陶瓷增强相强化的复合材料,其强度、耐磨性、耐热性优于同类钛合金,因此在航空、航天、海洋等高
具有广阔的应用前景。概括地讲,通过引入较高含量陶瓷增强相(>5vol.%),可以使钛基复合材料的强度指标明显提高,但大量引入增强相使得材料的塑性、韧性大幅降低。这是困扰金属基复合材料发展的一个普遍问题,也是金属基复合材料一直未能得到广泛应用的一个主要限制性环节。为了克服这一普遍的强度-塑性对立现象而获得更优异的综合性能,有研究报道可通过获得纳米TiB晶须强化来提高钛基复合材料强度(如ParkJ.S.,FabricationProcessandCharacterizationofTiBw/Ti–6Al–4VNanocomposites,KoreanAdvancedinstituteofScienceandTechnology,Master’sThesis,2010,p.78)。然而,该方法获得的钛基复合材料塑性极低(Ti6Al4V-2vol.%TiB,拉伸应变小于0.4%);而且该方法采用机械合金化,易污染,工艺也比较复杂。另一方面,有研究报道通过调节TiB微米晶须的分布,设计一种TiB网状结构强化钛基复合材料(如Huang,L.J.et.al,EffectsofvolumefractiononthemicrostructureandtensilepropertiesofinsituTiBw/Ti6Al4Vcompositeswithnovelnetworkmicrostructure,Materials&Design,45(2013)532-538)。然而,该类方法由于继续采用TiB微米晶须作为强化相,其强化效果并不显著,并且塑性低(Ti6Al4V-5.1vol.%TiB,抗拉强度1090MPa,拉伸应变3.6%)。传统的用TiB微米颗粒或微米晶须增强的钛基复合材料的研究报道和专利较多(例如中国专利CN104263984A,美国专利US20070068603A1,US20100040500A1等),但是,当TiB增强相含量大于5%时,所获得的以钛合金为基体的钛复合材料的拉伸应变一般小于3%,而以纯钛为基体的钛复合材料的拉伸应变一般小于7%。本专利技术提供了一种突破这一传统局限的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料及其制备方法,获得强且韧的钛基复合材料,通过同时控制TiB增强相的尺寸和分布。为达到上述目的,本专利技术的技术方案是:一种硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料,其包括基体和增强相;其中,所述基体为纯钛或钛合金;所述增强相为TiB纳米晶须,其含量为0.5~12vol.%,TiB纳米晶须的分布具有网状编织结构。优选的,所述钛合金包括α、α+β或β钛合金。优选的,所述纳米晶须的长度为5~30μm,直径50~300nm,长径比大于60。本专利技术所述的α-Ti基复合材料抗拉强度为500-900MPa,伸长率为15%-30%;所述的α+β-Ti基复合材料抗拉强度为1000-1300MPa,伸长率为6%-15%;所述的β-Ti基复合材料抗拉强度为800-1250MPa,伸长率为7%-22%。本专利技术所述的硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料的制备方法,其包括如下步骤:a)混料将作为基体原料与增强相原料进行机械混料;基体原料粉末的粒径小于150μm;增强相原料纳米添加粉的粒度为30nm~100nm;增强相原料的添加量为0.001~6.0wt.%;b)预成型及烧结将混合粉末置入模具中,烧结工艺采用放电等离子体烧结,即得到TiB纳米晶须增强钛基复合材料。优选的,步骤a)中基体原料为预合金粉末,包括Ti3Al2.5V、Ti5Al2.5Sn、Ti6Al4V、Ti6Al7Nb、Ti10V2Fe3Al或Ti5Mo5V2Cr3Al,或者Ti粉中添加0.001~15.0wt.%的Al、V、Fe、Mo、Mn、Nd、Cr、Cu、Sn、Ni或Zr粉。优选的,步骤a)中增强相原料为纳米级的硼粉、四硼化碳粉、氮化硼粉、二硼化钛、六硼化镧粉、二硼化铝或硼化铁。优选的,步骤a)中,用混料机低转速混料,转速为60~180r/min,球料比为1:1~2:1,混料时间为2~4h。优选的,步骤b)中模具为石墨模具。优选的,步骤b)中,烧结温度为950~1100℃,烧结压力为30~55MPa,烧结时间为3~30min。本专利技术采用纳米硼或硼化物粉末作为原料,为TiB纳米晶须在钛粉末表面高密度形核提供足够的行核点。形核后TiB纳米晶须在放电等离子体烧结工艺条件下向钛基粉末颗粒内部生长,其长度可以超过30μm,进而获得超高长径比的TiB纳米晶须。采用放电等离子体烧结,在焦耳热、压力、电流、局部电火花、局部等离子体等的综合作用下快速烧结,可将烧结温度范围选为950~1100℃。相对于普通真空烧结、热压烧结、自蔓延烧结等工艺致密化的温度(一般高于1200℃)有显著降低,这对避免形核后TiB晶须的粗化起到关键作用。本专利技术的有益效果:本专利技术通过采用纳米硼或纳米硼化物粉末作为原料并采用放电等离子体烧结作为致密化工艺,使得纳米TiB能够有效的均匀形核,并生长为超高长径比的纳米晶须(长度5~30μm,直径50~300nm),其长径比可达600,目前尚无报道,即使
技术介绍
中提到的采用机械合金化制备TiB纳米晶须的论文,其获得的TiB纳米晶须的长径比也仅达60。超高长径比的TiB纳米晶须大幅提高了其作为增强相的强化效果,纳米陶瓷晶须相本身被证实相对于宏观大块的同样成分结构的陶瓷相一般具有更好的延展性(如Han,X.D.et.al,Low-TemperatureinSituLargeStrainPlasticityofCeramicSiCNanowiresandItsAtomic-ScaleMechanism,NanoLetters,7(2007)452-257),这降低了纳米陶瓷晶须相本身在承载过程中直接断裂或与界面分离而形成裂纹源的风险。而其宏观均匀,微观不均匀的新型网状编织复合结构有利于协调变形,进而有利于所制备的钛基复合材料获得良好的塑性。此外,相比于之前专利文献报道的网状结构,本专利技术研究观察到的是TiB纳米晶须网状编织结构,是一种综合了均匀分布与非均匀分布的结构,具有更加优异的强化效果和抵抗裂纹扩展能力。因此,本专利技术通过同时控制TiB增强相的尺寸和分布,最终获得了具有优异强度、塑性、硬度、耐磨性能的新型强韧钛基复合材料。附图说明图1为本专利技术实施例1的网状编织分布的TiB纳米晶须强韧化的Ti6Al4V-5vol.%TiB复合材料的显微组织。图2为本专利技术实施例1的网状编织分布的TiB纳米晶须强韧化的Ti6Al4V-5vol.%TiB复合材料的韧性断口形貌。具体实施方式实施例1将粒度为45~75μm的Ti6Al4V粉末与粒度为100nm的纳米硼(B)粉配比,使得钛基体中反应后的TiB含量为5vol.%;将本文档来自技高网
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一种硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料及其制备方法

【技术保护点】
1.一种硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料,其特征在于,包括基体和增强相;其中,所述基体为纯钛或钛合金;所述增强相为TiB纳米晶须,其含量为0.5~12vol.%,TiB纳米晶须的分布具有网状编织结构。

【技术特征摘要】
1.一种硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料,其特征在于,包括基体和增强相;其中,所述基体为纯钛或钛合金;所述增强相为TiB纳米晶须,其含量为0.5~12vol.%,TiB纳米晶须的分布具有网状编织结构。2.如权利要求1所述的硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料,其特征在于,所述钛合金包括α、α+β或β钛合金。3.如权利要求1或2所述的硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料,其特征在于,所述纳米晶须的长度为5~30μm,直径50~300nm,长径比大于60。4.如权利要求1或2或3所述的硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料,其特征在于,所述的α-Ti基复合材料抗拉强度为500-900MPa,伸长率为15%-30%;所述的α+β-Ti基复合材料抗拉强度为1000-1300MPa,伸长率为6%-15%;所述的β-Ti基复合材料抗拉强度为800-1250MPa,伸长率为7%-22%。5.如权利要求1~4中任何一项所述的硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:a)混料将作为基体原料与增强相原料进行机械混料;基体原料粉末的粒径小于150μm;增强相原料纳米添加粉的粒度为30nm~100nm;增强相原料的添加量为0.001...

【专利技术属性】
技术研发人员:黄立清马前邹进孙继锋赵欣
申请(专利权)人:宝山钢铁股份有限公司
类型:发明
国别省市:上海,31

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