一种Ti-Fe合金基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种Ti‑Fe合金基复合材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。本发明专利技术以Ti粉、Fe粉和B4C粉为原料，将一定量的Ti粉、Fe粉和B4C粉混合后装入不锈钢包套，经过振实、除气、封口、热等静压烧结以及机加工去除包套等工序，得到TiC+TiB颗粒增强的Ti‑Fe合金基复合材料。本发明专利技术通过控制工艺参数和材料成分，保证Ti‑Fe合金基复合材料增强相分布均匀、致密度高、力学性能好。采用粉末冶金的制备方法，工艺路线简单，制备周期短，成本低，可实现大规模的工业应用。实施例结果证明，本发明专利技术提供的Ti‑Fe合金基复合材料在室温下抗压强度在1700～1900MPa，压缩弹性模量在8～9GPa。

【技术实现步骤摘要】
一种Ti-Fe合金基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及复合材料制备
，且特别涉及一种Ti-Fe合金基复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着生物医用材料领域技术的快速发展，传统的纯Ti和Ti-6Al-4V合金越来越难以满足人体植入材料的要求，开发无毒、生物相容性好、弹性模量低的新型钛合金正在成为该领域的重点研究方向。Fe元素不仅安全无毒、价格低廉，而且适量添加可有效提高合金的强度和耐磨性，降低弹性模量，因此是理想的生物医用钛合金的β稳定元素。近年来，Ti-Fe系合金的研发日益受到国内外研究者的关注。粉末冶金法是制备Ti-Fe合金的重要途径之一。然而，由于钛和铁扩散系数差异很大，且在烧结过程中会出现瞬时液相，因此，常规的粉末冶金烧结难以制备高致密度的Ti-Fe合金。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的包括提供一种Ti-Fe合金基复合材料，该复合材料具有高致密度、较好的增强效果和较好的耐磨性能。本专利技术的目的还包括提供一种Ti-Fe合金基复合材料的制备方法，该制备方法工艺路线简单，制备周期短，成本低，可实现大规模的工业应用。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本专利技术提出一种Ti-Fe合金基复合材料的制备方法，包括：将Ti粉、Fe粉和B4C粉的混合粉末经过真空脱气，再采用热等静压法进行烧结。按重量百分比计，Fe粉为1～15％，B4C粉为0.18～1.8％，余量为Ti粉和不可避免的杂质。本专利技术提出一种Ti-Fe合金基复合材料，由上述Ti-Fe合金基复合材料的制备方法制备而得。本专利技术的有益效果包括：本专利技术以铁粉、钛粉和B4C粉为原料，利用粉末冶金法制备了Ti-Fe合金基复合材料，通过热等静压烧结，将粉末致密化和原位自生反应触发结合起来，制备得到TiC+TiB颗粒增强的Ti-Fe合金基复合材料，该复合材料具有较高的致密度和较高的压缩强度。实验结果证明，本专利技术提供的制备方法得到的Ti-Fe合金基复合材料致密度达99.5％以上，压缩强度达到1860MPa，压缩弹性模量为8.6GPa。该制备方法工艺路线简单，制备周期短，成本低，可实现大规模的工业应用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术实施例1提供的Ti-Fe合金基复合材料的截面扫描电镜图；图2为本专利技术实施例1提供的Ti-Fe合金基复合材料断口扫描电镜图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。钛基复合材料通过在钛合金基体中引入第二相增强体，获得比传统钛合金更高的比强度、比刚度、耐磨性和耐高温性能，在航空航天、海洋船舶、汽车制造、能源化工、生物医疗等诸多领域具有极大的应用前景。从钛基复合材料制备方法来看，目前主要有熔铸法、机械合金化法、自蔓延高温合成法和粉末冶金法等。粉末冶金法在低于钛合金熔点的温度范围内制备钛基复合材料，不仅能避免熔铸法中液体钛的高反应问题，而且能有效改善熔铸法带来的材料组织、成分偏析和晶粒粗大等缺点，并可实现颗粒增强相粒度和体积分数在较大范围内的调节，是极具发展前景的钛基复合材料制备方法。从增强相添加方式来看，主要有外加法和原位自生法。外加法的颗粒较为粗大，且与基体界面存在污染问题。原位自生的颗粒增强相避免了增强颗粒与界面之间的化学问题，且与基体表面无污染、结合强度高，是目前钛基复合材料研究的重要方向之一。常规的粉末冶金方法虽然可以用于制备Ti-Fe合金基复合材料，但是所获得的致密度依然不高。本专利技术提出一种Ti-Fe合金基复合材料的制备方法，可以制得具有高致密度、较好增强效果和耐磨性能的复合材料。下面对本专利技术实施例的一种Ti-Fe合金基复合材料及其制备方法进行具体说明。本专利技术提供了一种Ti-Fe合金基复合材料，包括：将Ti粉、Fe粉和B4C粉的混合粉末经过真空脱气，再采用热等静压法进行烧结；按重量百分比计，Fe粉为1～15％，B4C粉为0.18～1.8％，余量为Ti粉和不可避免的杂质。铁粉的加入提高复合材料的强度和硬度。但是铁粉的含量过高烧结过程中会有液相生成，影响烧结质量。铁粉含量为1～15％时，不会出现液相，得到的复合材料具有较好的强度和硬度。可选的，铁粉含量可以为2％、3％、4％、11％、13％。进一步地，铁粉的含量可以为5～10％，其中，铁粉的含量可以为6％、7％、8％、9％。B4C粉作为原位反应剂，与钛粉生成TiC+TiB颗粒增强Ti-Fe合金基复合材料的强度和硬度。为了保证增强相的分布均匀，致密度高，B4C粉的含量为0.18～1.8％，其中，含量可以为0.2％、0.3％、1.3％、1.5％、1.7％。进一步地，铁粉的含量可以为0.5～1.0％。其中，含量可以为0.6％、0.8％、0.9％。在该含量范围内，B4C粉的加入不会导致复合材料变脆，增强了复合材料的力学性能。在本专利技术的一些实施例中，Ti粉和Fe粉的粒径均不大于325目。该粒径范围内Ti粉和Fe粉可以充分混合，避免了烧结活性大导致致密度不好，并且粒径若较大，对烧结温度要求高，提高成本和烧结条件。为了保证复合材料的质量，Ti粉、Fe粉和B4C粉的纯度均大于99％。具体的，按比例称取Ti粉、Fe粉和B4C粉，将其装入三维混料机中，混料3～5小时，得到混合粉末。将混合粉末装入预先制好的不锈钢包套内，经过振实，在真空度低于10-1Pa、温度为600～700℃的条件下进行真空脱气处理。再将包套封口。将封口的包套放入热等静压内，采用热等静压法烧结。升温至960～1050℃，在120～150MPa的压力条件下保温保压烧结1～3小时，然后随炉冷却。需要说明的是，升温速率不高于10℃/min，保证混合粉末的充分反应，使得增强相分布均匀、致密度高、力学性能好。可选的，烧结温度为970℃、980℃、990℃、1000℃。烧结压力为130～140MPa。采用机加工去除表面不锈钢包套，即得到Ti-Fe合金基复合材料。本专利技术通过采用B4C粉为原料，控制各原料的配比，同时控制工艺参数，通过热等静压烧结，将粉末致密化和原位自生反应触发结合起来，制备得到TiC+TiB颗粒增强的Ti-Fe合金基复合材料，该复合材料具有较高的致密度和较高的压缩强度。以下结合实施例对本专利技术的特征和性能作进一步的详细描述。实施例1本实施例提供了一种Ti-Fe合金基复合材料，主要通过以下步骤制备而成：按照Ti-5wt％Fe-0.9wt％B4C质量配比，将氢化脱氢钛粉、羰基铁粉和B4C粉末装入三维混料机中混合，混合3～5小时，得到混合粉末；将混合粉末装入预先制好的不锈钢包套内，人工振实，经过真空600～700℃下脱气，抽真空低于10-1Pa，然后将包套口焊死封口；将封口的包套放入热等静压内，以10℃/min的速率升温，在温度为960～1050℃，气压为120～150MPa下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Ti‑Fe合金基复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将Ti粉、Fe粉和B4C粉的混合粉末经过真空脱气，再采用热等静压法进行烧结；按重量百分比计，所述Fe粉为1～15％，所述B4C粉为0.18～1.8％，余量为所述Ti粉和不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种Ti-Fe合金基复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将Ti粉、Fe粉和B4C粉的混合粉末经过真空脱气，再采用热等静压法进行烧结；按重量百分比计，所述Fe粉为1～15％，所述B4C粉为0.18～1.8％，余量为所述Ti粉和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的Ti-Fe合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述Fe粉为5～10％，所述B4C粉为0.5～1.0％。3.根据权利要求1所述的Ti-Fe合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述Ti粉和所述Fe粉的粒径均不大于325目。4.根据权利要求1所述的Ti-Fe合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述B4C粉的粒不大于325目。5.根据权利要求1所述的Ti-Fe合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述混合粉末的制备方法包括：采用三维混料机对所述Ti粉、所述Fe粉和所述B4C粉混料3～5小时。6.根据权利要求1所述的Ti-Fe合金基复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：施麒，刘辛，
申请(专利权)人：广东省材料与加工研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44