一种TiC颗粒增强镍基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种TiC颗粒增强镍基复合材料，其特征在于，所述材料包含的组份及百分含量为：TiC颗粒体积百分比为3％-30％，其余为母合金；所述母合金为所有镍合金中的一种；所述方法以预制块生坯Ni-Ti-C作为颗粒合成反应物，其中该合成反应物的组成为Ni粉、Ti粉和C粉，Ni粉质量百分含量为5-50％，Ti粉与C粉的摩尔比为1∶1，将预制块生坯与母合金一同添加至真空感应炉中熔炼制备TiC颗粒增强复合材料。本发明专利技术有效地解决了传统制备成本高、工艺复杂以及颗粒形貌多样与分布不均匀以及致密度差等问题，具有成本低廉和工艺简单的特点，并且该方法可用于制造镍基高温合金大型复杂铸件。

【技术实现步骤摘要】
一种TiC颗粒增强镍基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及复合材料领域，具体地，涉及一种TiC颗粒增强镍基复合材料及其制备方法。
技术介绍
镍基高温合金由于其优良高温性能，已成为目前制造先进航空发动机和燃气轮机热端部件的主要材料，主要包括机匣类承力件、涡轮叶片、燃烧室、涡轮盘及部分压气机叶片等。航空航天技术飞速发展要求飞行器的复杂零部件可承受更高使用温度，开发具有更高耐热温度的镍基高温复合材料制备技术对提高发动机热效率至关重要，可降低燃料消耗率，提升发动机性能，提高飞机航程，具有节能减排效应。因此对更高使用温度的铸造镍基高温合金材料需求迫切。目前常见的K4169铸造镍基合金的耐热温度为650℃，超过650℃时其主要高温强化相γ’’将会溶解或转变为δ相，失去高温强化效果。目前国内外主要通过添加大量Co、W、Re等稀缺贵金属来提高镍基合金高温性能，而本专利技术是通过添加低成本第二相增强颗粒制备镍基复合材料来提升材料高温性能。颗粒增强复合材料能有效提高基础合金材料的耐磨性、高温性能，颗粒增强法被广泛用于制备金属基复合材料。上海交通大学吕维洁等人利用TiC、TiB以及稀土氧化物作为强化相制备了钛基复合材料(专利公开号ZL02111575.3、ZL02112260.1以及ZL200510029075.3等)。采用颗粒增强制备铝基复合材料的报道较多，米国发等人专利技术的一种制备颗粒增强铝基复合材料的方法(ZL201210413996.x)，王宏明等人专利技术的一种电流与磁场复合作用下合成颗粒增强复合材料的方法(ZL201110037708.0)等。吉林大学王慧远等人通过原位自生法将TiC颗粒添加至镁合金和钢中以提高合金的耐磨性能。由于受基体材料性能限制，镁基、铝基、钛基以及铁基复合材料的高温性能始终无法超越镍基高温合金材料。关于颗粒增强制备金属基复合材料的专利和文献较多，但TiC颗粒增强制备镍基合金复合材料制备的文献很少。具有代表性的有哈尔滨工业大学张幸红等人利用自蔓延高温燃烧合成(SHS)结合热等静压制备TiC-Ni基金属陶瓷材料，该方法受技术设备限制，只能制备Ni含量较低的复合材料，若Ni含量超过70％将无法发生SHS合成反应。由于该制备技术的原料都为粉末，需压制成型，制备形状复杂的工件困难，成品的致密度远不如铸造工艺制备的工件，并且该技术生产成本高。华北电力大学的包艳蓉等人在金属热处理上发表的文章《热压原位合成TiC-xNi复合材料的组织与性能》介绍了一种采用粉末冶金法制备镍基复合材料材料的方法，但通过粉末冶金法制备的工件对成品形貌与材料的致密度存在一定的局限性。此外，华北电力大学的刘宗德等人在《MaterialsScienceandEngineeringA》上发表的一篇关于原位自生法制备镍基复合材料，该方法的工艺流程是：首先将Ti与C混合粉末压制成预制块，再通过Ti-C预制块与电解镍在真空感应炉中加热熔炼制备TiC颗粒增强镍基复合材料，结果显示TiC颗在铸锭中分布不均匀，且颗粒形貌有方形与针状两种，该工艺制备的TiC颗粒增强镍基复合材料性能不稳定。此外，该TiC颗粒增强镍基复合材料的颗粒制备原料为Ti粉与C粉组成的二元体系，Ti-C二元体系发生合成反应的温度点高，高温金属Ni的熔点，接近Ti的熔点，不利于颗粒尺寸控制与均匀分布。刘宗德等人还专利技术了一种原位反应合成TiCx颗粒增强镍基复合材料的制备方法(ZL200910091602.1)，该方法将Ti、C、Al、Fe和Mo混合粉末用镍箔包起，压制成块之后加入真空中频感应炉内，与电解镍一起熔炼浇铸，制备出致密度接近100％，高温强度与硬度明显提高的TiCx颗粒增强镍基复合材料。该工艺所用的镍基体以金属镍粉末为主，价格昂贵，且需要用镍箔包裹混合粉末压制成块，工艺复杂，不适宜产业化大生产。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种TiC颗粒增强镍基复合材料及其制备方法，工艺简单、成本低，并可调控复合材料中TiC颗粒的尺寸与数量。根据本专利技术的一个方面，提供一种TiC颗粒增强镍基复合材料，所述材料包含的组份及含量为：TiC颗粒体积百分含量为3％-30％，其余为母合金；所述母合金为所有镍合金中的一种。优选地，所述TiC颗粒是通过Ni-Ti-C预制块生坯反应生成，Ni-Ti-C预制块生坯的组成为Ni粉、Ti粉和C粉，Ni粉质量百分含量为5-50％，Ti粉与C粉的摩尔比为1:1。更优选地，Ni粉质量百分含量为20-30％。优选地，所述Ni粉粒径为200-800目、纯度≥99.5％。优选地，所述Ti粉粒径为200-800目、纯度≥99.5％。优选地，所述C粉粒径为≤2000目、纯度≥99.5％。优选地，所述TiC颗粒体积百分含量为3-10％，更进一步的，为4-7％，在该范围内可以获得性能更好的TiC颗粒增强镍基复合材料。优选地，所述TiC颗粒的尺寸小于10微米，更优选地，TiC颗粒的尺寸小于5微米。优选地，所述TiC颗粒的形貌为等轴状、球状或立方状，更优选地，为球状。根据本专利技术的另一个方面，提供一种上述TiC颗粒增强镍基复合材料的制备方法，所述方法以预制块生坯(Ni-Ti-C)作为颗粒合成反应物，与母合金一同添加至真空感应炉中熔炼制备TiC颗粒增强复合材料，具体包括以下步骤：⑴按照各组份的质量百分比称取Ni粉、Ti粉、C粉以及母合金；⑵采用搅拌设备将步骤⑴配比好的粉末混合均匀；⑶将步骤⑵混合均匀的粉末压制成Ni-Ti-C预制块生坯；⑷将生坯预制块与母合金一同置入真空感应炉内熔炼浇铸成锭。优选地，所述步骤⑵中：采用搅拌机、混料机或球磨机等混合方法将Ni粉、Ti粉和C粉混合均匀。优选地，所述步骤⑶中：采用冷等静压成型方法将混合粉末制备成Ni-Ti-C预制块生坯，生坯压制致密度为50-90％。更优选地，所述步骤⑶中：将步骤⑵中混合均匀的粉末装入模具内，施加50-100MPa的压力，加压时间为10-20秒，制备成Ni-Ti-C预制块生坯，其致密度为50-90％。优选地，所述步骤⑷，具体如下：①装样：将制备的预制块生坯与母合金一同置入真空感应炉内熔炼；②熔炼气氛：将炉内真空度抽至1×10-2-1×10-4Pa，通入氩气，使其压强为0.01-0.08MPa，③熔炼浇铸：将炉内温度升至1450-1800℃，精炼3-8分钟后浇铸成锭，得到所述TiC颗粒增强镍基复合材料。本专利技术方法利用预制块生坯(Ni-Ti-C体系)作为反应物，将其与镍基母合金一起熔炼，成功制备TiC颗粒增强镍基复合材料。生坯预制块真空感应加热至反应温度，合成形貌规则(球状)、尺寸合理(＜10μm)且与基体界面干净的TiC颗粒，并且通过感应搅拌，使TiC颗粒均匀分布于基础合金内。该技术有效地解决了传统TiC颗粒增强镍基复合材料制备成本高、工艺复杂以及颗粒形貌多样与分布不均匀以及致密度差等问题。本专利技术采用原位合成法与传统的熔炼浇铸相结合的工艺，是一种成本低廉和工艺简单的TiC颗粒增强镍基复合材料制备方法，并且该方法可用于制造镍基高温合金大型复杂铸件。本专利技术通过调整原位合成反应物(Ni-Ti-C预制块生坯)的组成，可以控制复合材料中的颗粒尺寸、形貌以及数量。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：①本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TiC颗粒增强镍基复合材料，其特征在于，所述材料包含的组份及百分含量为：TiC颗粒体积百分含量为3％‑30％，其余为母合金；所述母合金为所有镍合金中的一种。

【技术特征摘要】
1.一种TiC颗粒增强镍基复合材料，其特征在于，所述材料包含的组份及百分含量为：TiC颗粒体积百分含量为3％-30％，其余为母合金；所述母合金为所有镍合金中的一种；所述TiC颗粒是通过Ni-Ti-C预制块生坯反应生成，Ni-Ti-C预制块生坯的组成为Ni粉、Ti粉和C粉，Ni粉质量百分含量为5-50％，Ti粉与C粉的摩尔比为1:1。2.根据权利要求1所述的TiC颗粒增强镍基复合材料，其特征在于，所述Ni粉质量百分含量为20-30％。3.根据权利要求1所述的TiC颗粒增强镍基复合材料，其特征在于，所述Ni粉粒径为200-800目、纯度≥99.5％；所述Ti粉粒径为200-800目、纯度≥99.5％；所述C粉粒径为≤2000目、纯度≥99.5％。4.根据权利要求1-3任一项所述的TiC颗粒增强镍基复合材料，其特征在于，所述TiC颗粒体积百分含量为3-10％。5.根据权利要求4所述的TiC颗粒增强镍基复合材料，其特征在于，所述TiC颗粒的尺寸小于10微米。6.根据权利要求5所述的TiC颗粒增强镍基复合材料，其特征在于，所述TiC颗粒的尺寸小于5微米。7.根据权利要求1-3任一项所述的TiC颗粒增强镍基复合材料，其特征在于，所述TiC颗粒的形貌为等轴状、球状或立方状。8.根据权利要求7所述的TiC颗粒增强镍基复合材料，其特征在于，所述TiC颗粒的形貌为球状。9.一种根据权利要求1-8任一项所述的TiC颗粒增强镍基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法以预制块生坯Ni-Ti-C作为颗粒合成反...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝国梁，王炜，周薇，吕和平，王俊，戴炎麟，孙宝德，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31