一种利用氢化钛粉末直接制备成型钛基复合材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用氢化钛粉末直接制备成型钛基复合材料的方法，包括如下步骤：制坯：将氢化钛粉末与添加物进行混合并通过模压制成粉末压坯；脱氢：对粉末压坯进行加热，升温速率维持在50‑200℃/分钟，直至粉末压坯温度升至900‑1500℃，并在选定的温度下保温5分钟至30分钟；成型：将加热后的粉末压坯移入挤压装置中，在一定的压强及挤压比下进行挤压使粉末压坯通过挤压模具，成型固结成钛基复合材料；冷却：挤压完成后，将钛基复合材料在10‑100℃/分钟的速度下冷却至室温，随后取出。本发明专利技术减少了原料成本，缩短了工艺流程，减少了后续加工过程中杂质的引入。本发明专利技术具有脱氢速度快，产品致密度高和力学性能好的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制备复合材料的方法，具体涉及一种利用氢化钛粉末快速脱氢及热固结直接制备成型钛基复合材料的方法，属于有色金属加工

技术介绍
钛作为一种重要的有色金属材料，因其密度低，比强度高，耐腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能好等特点，近年来，在航空航天飞行器、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛。此外，钛在汽车、医疗、化工、能源和日常消费等行业也有着巨大的应用潜力，因此，钛也被称为“正在崛起的第三金属”和“21世纪金属”。然而，由于纯钛的力学强度较低，其强度主要由固溶于钛中的间隙元素(N、O、H等)来提供，间隙元素的含量越高，钛的强度就越高。但由于这些间隙元素在钛中具有很高的固溶度和极强的亲和力，因此它们在后续加工的过程中也很难被去除，如当钛及其合金在含有氧和氮的环境中进行加热时，不仅会在表面形成一层坚固的硬化层，而且氧和氮还会向材料内部扩散使得材料的晶格发生畸变，致使材料的塑形降低。因此，为了满足科技发展对材料高性能日益增长的需要，人们总是希望在得到纯度较高的钛材料的同时，通过多种工艺手段来不断增加材料的力学性能以满足不同领域的需求。增强钛力学性能的一种有效的方法是向钛基体中添加第二相的纤维或颗粒，制备出具有更高强度的钛基复合材料(TitaniumMatrixComposites,TMCs)。钛基复合材料可有效的将金属钛的高延展性和低密度的优点与增强相的高强度和高模量的特点相结合，制备出的钛基复合材料相比基体钛材料拥有更高的比强度与抗高温性能，更好的抗疲劳与抗剪切性能。钛基复合材料中的增强相是提高材料力学性能的主要原因。根据增强相的形貌、体积分数和含量的不同，复合材料中增强相的作用主要是阻碍位错的运动和晶粒的长大，同时起到承受应力和传递应力的作用，从而可以提高材料本身的强度，高温性能和抗蠕变能力。通常，增强相的选择应满足以下条件：具有较高的强度、刚度和硬度等机械性能。通常增强相在基体中占有一定的体积分数，需要承担一部分来自外部的载荷，当增强相足够细小且达到一定数量时，具有阻碍位错移动作用的弥散强化变得十分重要；具有较高的热力学稳定性，由于钛具有较高的熔点，在热加工的过程中增强相应具有较好的热力学稳定性且不应和基体材料相互反应或溶解于基体之中；增强相与基体之间应具有良好的浸润性与化学相容性，且没有严重的界面化学反应；此外，增强相的热膨胀系数应与基体材料相似，以降低由于在热加工及后续使用过程中由于热膨胀系数不匹配而造成的显微裂纹。目前，人们认为较为理想的钛基复合材料增强相主要包括TiB、TiC、SiC、B4C和ZrB2等。钛基复合材料的制备方法根据增强体的加入或生成方式，可以分为外加法和原位生成法(in-situ)两种。外加法是将最终的增强相直接加入到金属基体中来合成复合材料，而原位生成法则是指复合材料中的增强相是在后续制备过程中，通过外加元素与基体的化学反应而生成的。可以与钛发生反应生成稳定增强相的元素主要包括B、C、TiB2、B4C、Cr3C2和Si3N4等。近些年来，利用氢化钛为原料制备钛和钛合金制品的研究不断增多，采用氢化钛直接制备钛制品可以减少原料成本，缩减工艺流程，提高烧结致密度。然而，目前人们制备钛基复合材料仍大多选用纯钛或钛合金作为基体材料，采用氢化钛粉制备钛基复合材料的研究还处于起步阶段。N.Peillon等人将氢化钛粉末与10vol％和20vol％的TiC颗粒相混合，然后通过冷压成型并在真空环境下在800-1375℃之间通过自由烧结的方法制备出TiC增强钛基复合材料。与同工艺下利用雾化钛粉和氢化脱氢钛粉为原料制备的复合材料相比，采用氢化钛为原料可以降低烧结温度并提高最终材料的致密度。WoongLee等人将氢化钛粉与0-60vol％的TiC颗粒相混合，然后通过热压的方式在60MPa的压强下将其加热至1000-1150℃，制备出TiC增强钛基复合材料并对其显微组织的转变进行了研究。在已有的研究报道中，氢化钛的脱氢需要的时间较长，且最终材料中仍会存在一些残余孔洞，需要进一步的后处理工艺来提高材料的致密度。现有技术存在以下不足：1、传统铸造工艺制备钛基复合材料，制备温度在基体钛的熔点之上，由于纯钛的熔点高达1660℃，因此需要耗费大量的能源。此外，由于在冷却的过程中可能会产生成分偏析，因此需要通过多次熔铸来达到成分的均匀。2、粉末冶金法制备钛基复合材料多采用钛粉为基体原材料，但由于钛的化学活性很高，很容易在高温下与环境中的H、O、C、N等杂质元素发生反应，因此在钛粉生产过程中对周围环境的要求严苛，高纯度的钛粉生产成本很高。3、目前采用氢化钛粉为原料制备钛基复合材料多是采用无压烧结或烧结时的压力较低，由于氢化钛在脱氢过程中氢气的释放会使材料内部产生一定的空隙，因此采用氢化钛直接制备出的产品致密度难以达到使用的要求，需要后续进一步的加工(如锻造、轧制、挤压等)来提高材料的致密度，增加了工艺步骤。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：1、如何简化工艺，降低生产成本，制备出增强相在基体中均匀分布的钛基复合材料，同时减少加工过程中杂质元素的引入对最终产品性能的影响。2、如何快速将氢化钛中的氢脱除，使产品中的氢降低至可接受范围内。3、如何利用氢化钛为原料直接制备出具有高致密度的钛基复合材料型材。为实现上述目的，本专利技术将氢化钛粉与增强相进行混合并冷压成坯，在自改装的多功能粉末固结系统中，将混合物粉末压坯通过感应加热加热至一定的温度并进行短暂的保温后立即进行热挤压，可以直接制备出具有较高致密度且具有所需截面形状的钛基复合材料挤压型材，本专利技术减少了原料成本，缩短了工艺流程，减少了后续加工过程中杂质的引入。此外，本专利技术可以通过改变加入的增强相种类，实现外加法或原位生成法制备钛基复合材料的制备，同时本专利技术具有脱氢速度快，产品致密度高和力学性能好的特点。技术方案如下：一种利用氢化钛粉末直接制备成型钛基复合材料的方法，包括如下步骤：步骤1、制坯：将氢化钛粉末与添加物进行混合并通过模压制成粉末压坯；添加物为直接增强相或者为能够和钛或氢化钛反应原位生成增强相的添加相；步骤2、脱氢：对粉末压坯进行加热，升温速率维持在50-200℃/分钟，直至粉末压坯温度升至900-1500℃，并在选定的温度下保温5分钟至30分钟；步骤3、成型：将加热后的粉末压坯移入挤压装置中，在一定的压强及挤压比下进行挤压使粉末压坯通过挤压模具，成型固结成钛基复合材料；步骤4、冷却：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用氢化钛粉末直接制备成型钛基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、制坯：将氢化钛粉末与添加物进行混合并通过模压制成粉末压坯；所述添加物为直接增强相或者为能够和钛或氢化钛反应原位生成增强相的添加相；步骤2、脱氢：对所述粉末压坯进行加热，升温速率维持在50‑200℃/分钟，直至所述粉末压坯温度升至900‑1500℃，并在选定的温度下保温5分钟至30分钟；步骤3、成型：将加热后的所述粉末压坯移入挤压装置中，在一定的压强及挤压比下进行挤压使所述粉末压坯通过挤压模具，成型固结成钛基复合材料；步骤4、冷却：挤压完成后，将所述钛基复合材料在10‑100℃/分钟的速度下冷却至室温，随后取出。

【技术特征摘要】
1.一种利用氢化钛粉末直接制备成型钛基复合材料的方法，其特征在于，包括如
下步骤：
步骤1、制坯：将氢化钛粉末与添加物进行混合并通过模压制成粉末压坯；所述
添加物为直接增强相或者为能够和钛或氢化钛反应原位生成增强相的添加相；
步骤2、脱氢：对所述粉末压坯进行加热，升温速率维持在50-200℃/分钟，直至
所述粉末压坯温度升至900-1500℃，并在选定的温度下保温5分钟至30分钟；
步骤3、成型：将加热后的所述粉末压坯移入挤压装置中，在一定的压强及挤压
比下进行挤压使所述粉末压坯通过挤压模具，成型固结成钛基复合材料；
步骤4、冷却：挤压完成后，将所述钛基复合材料在10-100℃/分钟的速度下冷却
至室温，随后取出。
2.根据权利要求1所述的一种利用氢化钛粉末直接制备成型钛基复合材料的方
法，其特征在于，步骤1中所述直接增强相选自TiC、TiB2或石墨烯之中的一种，所
述添加相选自石墨、碳纳米管、石墨烯或硼之中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种利用氢化钛粉末直接制备成型钛基复合材料的方
法，其特征在于，步骤2中采用感应加热线圈对所述粉末压坯进行加热。
4.根据权利要求1所述的一种利用氢化钛...

【专利技术属性】
技术研发人员：张德良，郑逸锋，王文静，梁加淼，周登山，苏勇君，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31