高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料，以钛或钛合金为基体，复合用金属与钛或钛合金基体原位自生的金属间化合物颗粒相、复合用金属依次呈套环状分布在钛或钛合金基体的表面，形成网状结构双金属钛基复合材料；本发明专利技术还公开了一种高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料的制备方法，该方法将基体粉末与经高能球磨处理后的复合用金属粉末进行高能球磨复合，再进行烧结。本发明专利技术利用复合用金属良好的自润滑效应以及金属间化合物颗粒相的分布强化效应，提高了双金属钛基复合材料的抗摩擦磨损性能和硬度；本发明专利技术采用高能球磨法制备双金属钛基复合粉体，无需对原料进行清洗、敏化和活化，工艺简单，可操作性强，适宜大规模产业化。

High hardness and wear-resistant bimetal titanium matrix composite with mesh structure and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料及其制备方法
本专利技术属于金属基复合材料制备
，具体涉及一种高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着现代科学技术的飞速发展，许多工业领域对使用材料的综合性能提出了更高的要求。而传统单一基体的复合材料，如钛基复合材料，其性能存在极大的局限性，特别是在高温高压等极端的服役环境下往往存在重大的缺陷，已无法满足航空航天等领域的高韧性、耐磨性以及低密度使用要求。而多种不同物理化学性质的金属材料采用特殊的工艺技术复合在一起，形成了多金属的复合材料可以有效的克服了上述单一复合材料的缺点，呈现出优良的综合性能，以满足现代高技术发展中高温高压等极端的服役环境下的材料的服役要求。钛基复合材料作为一种新型的金属基结构材料，呈现出许多优异的力学性能，具有重要的使用价值。例如美国Dynamet技术公司开发的CermeTi系列TiC颗粒增强Ti-6Al-4V复合材料，已经成功的应用于半球形火箭壳体、导弹壳体以及航空发动机零件等。但是由于钛基复合材料的钛基体硬度低、增强体与钛基体结合能力的差异以及抗塑变剪切能力和表面抗氧化能力较差等原因，导致其耐磨性较差，严重影响钛基复合材料的服役寿命和使用范围。因此，设计研发一种新结构的耐磨损型钛基复合材料具有重要的工业化应用背景和重大产业升级的需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料。该钛基复合材料中复合用金属与钛或钛合金原位自生成的金属间化合物颗粒相、复合用金属依次呈套环状均匀连续地分布在钛或钛合金基体的表面，形成网状结构双金属钛基复合材料，利用复合用金属具有良好的自润滑效应以及金属间化合物颗粒相的分布强化效应，大大提高了双金属钛基复合材料的抗摩擦磨损性能和硬度。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料，其特征在于，以钛或钛合金为基体，复合用金属与钛或钛合金基体原位自生的金属间化合物颗粒相、复合用金属依次呈套环状分布在钛或钛合金基体的表面，形成网状结构双金属钛基复合材料；所述复合用金属的硬度小于钛或钛合金基体的硬度，复合用金属的延展性大于钛或钛合金基体；所述网状结构中的网格平均等效直径不超过150μm，所述网状结构双金属钛基复合材料的维氏显微硬度较对应相同的钛或钛合金制备的钛基材料提高了40Hv～70Hv，平均摩擦系数降低了0.02～0.08。本专利技术的双金属钛基复合材料以钛或钛合金为基体，该基体位于网状结构的网格中心部位，复合用金属与钛或钛合金原位自生的金属间化合物颗粒相、复合用金属依次呈套环状均匀连续地分布在钛或钛合金基体的表面，形成网状结构双金属钛基复合材料。本专利技术的双金属钛基复合材料中复合用金属呈套环状分布在钛或钛合金基体的表面外层并形成一定的网格结构，与金属间化合物颗粒相形成类似糖衣的多层结构，由于复合用金属具有优异的延展塑性，在抗摩擦磨损过程中呈现出良好的自润滑效应，因此，双金属钛基复合材料的抗摩擦磨损性能得到提高；而复合用金属与钛或钛合金基体原位自生的金属间化合物颗粒相呈套环状分布在钛或钛合金基体的表面并形成一定的网格结构，由于该金属间化合物颗粒相的硬度远远大于钛或钛合金基体以及复合用金属，且呈准纳米级不规则球状分布，从而进一步提高了双金属钛基复合材料的抗摩擦磨损性能，另外，该金属间化合物颗粒相位于钛或钛合金基体和复合用金属之间，提高了两者的复合紧密程度和结合强度，从而提高了双金属钛基复合材料的硬度。上述的高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料，其特征在于，所述复合用金属为铜、镍、银、铝或锌；所述金属间化合物颗粒相为Ti2Cu、Ti2Ni、Ti2Ag、Ti3Al或Ti2Zn。上述优选的复合用金属种类具有高延伸塑性和低硬度，容易与钛或钛合金基体原位自生形成对应的金属间化合物颗粒相。另外，本专利技术还提供了一种制备高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、粉体的选择：选用球形的钛粉末或钛合金粉末作为基体粉末，选择硬度小于基体粉末且延展性大于基体粉末的金属粉末作为复合用金属粉末；步骤二、复合用金属粉末的预处理：将步骤一中选择的复合用金属粉末进行高能球磨处理，然后经筛分得到片状不规则复合用金属粉末；所述高能球磨处理的工艺参数为：转速400r/min～500r/min，球磨时间5h～8h，球料比不小于1.5:1；步骤三、复合处理：将步骤一中选择的基体粉末和步骤二中得到的片状不规则复合用金属粉末放入行星球磨机中进行高能球磨复合处理，得到双金属钛基复合粉体；所述高能球磨复合处理的工艺参数为：转速400r/min～500r/min，球磨时间4h～8h，球料比不小于1.5:1，选用的磨球为直径4mm和8mm的不锈钢磨球，其中，直径8mm的不锈钢磨球和直径4mm的不锈钢磨球的质量比不超过3:1；步骤四、烧结成型：将步骤三中得到的双金属钛基复合粉体放置于放电等离子烧结机中进行热压烧结，得到高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料。本专利技术采用高能球磨处理产生的高能量将复合用金属粉末轰击成薄片层状，并经筛分得到片状不规则复合用金属粉末，然后通过物理法的高能球磨复合处理，使片状不规则复合用金属粉末包覆在基体粉末的周围，经烧结后，与基体粉末接触的复合用金属粉末与基体粉末中的钛原位自生成金属间化合物颗粒相，其余复合用金属粉末烧结成型后分布在金属间化合物颗粒相周围，得到网状结构双金属钛基复合材料。本专利技术的制备方法与现有技术中的化学包覆法相比，无需对原料进行清洗、敏化和活化等处理，工艺简单，可操作性强，同时减少了污染，降低了生产成本，适宜大规模产业化。上述的方法，其特征在于，步骤一中所述基体粉末的球形度不小于0.8；所述基体粉末和复合用金属粉末的质量纯度均不小于99.9％。优选球形度不小于0.8的基体粉末有效保证了基体粉末表面的复合用金属粉末的包覆量，有利于网状结构双金属钛基复合材料的形成；而基体粉末和复合用金属粉末的优选质量纯度则避免了其它合金元素的污染，保证了后续放电等离子烧结过程中粉体之间的结合强度，避免夹杂等缺陷的出现，得到高致密度的网状结构双金属钛基复合材料，进一步保证了网状结构双金属钛基复合材料的高硬度和抗摩擦磨损性能。上述的方法，其特征在于，步骤一中所述基体粉末和复合用金属粉末的粒径比不小于1.5:1，硬度比不小于12:7，质量比不大于5:1。上述优选性能的基体粉末和复合用金属粉末进一步保证了复合用金属粉末在基体粉末表面的包覆量，同时节省了复合金属粉末的用量，降低了生产成本。上述的方法，其特征在于，步骤一中所述复合用金属粉末为片状粉末。优选的片状复合用金属粉末有利于复合用金属粉末在基体粉末表面的有效包覆，形成双金属钛基复合粉体。上述的方法，其特征在于，步骤四中所述热压烧结的工艺参数为：烧结温度900℃～1100℃，烧结时间5min～8min，烧结压力60MPa～80MPa。上述优选工艺参数进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料，其特征在于，以钛或钛合金为基体，复合用金属与钛或钛合金基体原位自生的金属间化合物颗粒相、复合用金属依次呈套环状分布在钛或钛合金基体的表面，形成网状结构双金属钛基复合材料；所述复合用金属的硬度小于钛或钛合金基体的硬度，复合用金属的延展性大于钛或钛合金基体；所述网状结构中的网格平均等效直径不超过150μm，所述网状结构双金属钛基复合材料的维氏显微硬度较对应相同的钛或钛合金制备的钛基材料提高了40Hv～70Hv，平均摩擦系数降低了0.02～0.08。/n

【技术特征摘要】
1.高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料，其特征在于，以钛或钛合金为基体，复合用金属与钛或钛合金基体原位自生的金属间化合物颗粒相、复合用金属依次呈套环状分布在钛或钛合金基体的表面，形成网状结构双金属钛基复合材料；所述复合用金属的硬度小于钛或钛合金基体的硬度，复合用金属的延展性大于钛或钛合金基体；所述网状结构中的网格平均等效直径不超过150μm，所述网状结构双金属钛基复合材料的维氏显微硬度较对应相同的钛或钛合金制备的钛基材料提高了40Hv～70Hv，平均摩擦系数降低了0.02～0.08。


2.根据权利要求1所述的高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料，其特征在于，所述复合用金属为铜、镍、银、铝或锌；所述金属间化合物颗粒相为Ti2Cu、Ti2Ni、Ti2Ag、Ti3Al或Ti2Zn。


3.一种制备如权利要求1或2所述的高硬度耐磨型网状结构双金属钛基复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、粉体的选择：选用球形的钛粉末或钛合金粉末作为基体粉末，选择硬度小于基体粉末且延展性大于基体粉末的金属粉末作为复合用金属粉末；
步骤二、复合用金属粉末的预处理：将步骤一中选择的复合用金属粉末进行高能球磨处理，然后经筛分得到片状不规则复合用金属粉末；所述高能球磨处理的工艺参数为：转速400r/min～500r/min，球磨时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵永庆，于佳石，卢金文，董龙龙，霍望图，张于胜，
申请(专利权)人：西安稀有金属材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61