一种高温钛基复合材料控制硅化物特征的方法技术

本发明专利技术涉及钛基复合材料领域，具体是一种高温钛基复合材料控制硅化物特征的制备方法。具体步骤为：一、确定基体合金成分和增强相含量，控制Zr和Si元素含量比例；二、计算并称取原料，在真空感应电炉内熔炼，制备高温钛基复合材料铸锭；三、将步骤二的铸锭进行成分均匀化退火，然后进行开坯锻造；四、将步骤三开坯锻后的铸锭进行多向锻造，并空冷；五、将步骤四中锻造后空冷的高温钛基复合材料进行热处理。所得复合材料基体组织为等轴组织，硅化物特征为：硅化物均匀弥散分布在α/β相界和α相内，硅化物体积分数为2%‑5%，形态为球状颗粒，尺度约为50‑100nm。

A method for controlling silicide characteristics of high temperature titanium matrix composites

【技术实现步骤摘要】
一种高温钛基复合材料控制硅化物特征的方法
本专利技术涉及一种金属复合材料制备工艺，特别是一种控制硅化物特征的高温钛基复合材料制备工艺。
技术介绍
随着我国航空航天事业的飞速发展，迫切需求轻质、高温、高强结构材料。高温钛合金高温下高强度、抗氧化性能好、抗蠕变性能以及抗疲劳性能优异，是先进航空航天发动机和火箭推进系统中主要的高温结构材料。以高温钛合金为基体，以陶瓷颗粒为增强相的颗粒增强高温钛基复合材料，具有众多优良特点，其高温强度、蠕变抗力、比刚度、抗冲击性、疲劳性能等都比单一材料性能有所提高，被认为是一种能突破现有高温钛合金热强性的新一代航空航天材料。高温钛基复合材料的基体高温钛合金中，Si是重要的合金化元素，几乎所有的高温钛合金中都含有0.1%-0.5%的Si。硅元素在高温钛合金中通常以固溶或硅化物的形式存在。在时效和热暴露过程中，均匀细小弥散析出的硅化物沉淀析出，会强烈钉扎位错运动，阻碍位错滑移和攀移，从而显著改善合金高温蠕变性能，提高强度。但在长时间时效和热暴露过程中会造成硅化物析出数量较多，尺寸变大，分布不均匀，且伴随有α2相析出，大大恶化材料的塑性，降低材料性能。在高温钛基复合材料中，本身由于增强相的存在，材料塑性不高，如果不能很好的控制硅化物的析出，更会恶化材料性能，无法体现出高温钛基复合材料性能优势。控制硅化物的析出特征，和增强相起到协同强化作用，可以大大提高材料的性能和服役安全性。从现有公开的技术手段和文献资料来看，硅化物是利用热处理调控组织时的一种附属产物，目前没有针对控制硅化物析出特征的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够控制高温钛基复合材料中硅化物特征的方法，从而解决高温钛基复合材料中硅化物析出不均匀，尺寸大，恶化材料性能的问题。本专利技术所述的控制高温钛基复合材料中硅化物特征的方法，具体步骤包括：步骤一：高温钛基复合材料的成分确定，基体合金为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-W-Nb-Si系，增强相为TiB、TiC中的一种或者两种的混合，增强相的体积分数为1%-5%；材料成分按照重量百分比组成为：5%-9%Al、4%-7%Sn、4%-10%Zr、0.5%-2%Mo、0-1%Nb、0-2%W、0.2%-0.7%Si，余量为Ti，其中Zr：Si含量比值控制范围为：10:1-30:1。步骤二：称取海绵钛，海绵锆，高纯铝，高纯锡，铝钼中间合金，铝铌中间合金，铝钨中间合金，TiB2粉或者石墨粉，其中因中间合金引入的铝从纯铝中扣除，纯铝的补偿量为3%-6%，锆的补偿量为4%-10%，锡的补偿量为3%-8%；配料后利用水冷铜坩埚真空感应熔炼炉熔炼，浇注到金属型模具中，获得高温钛基复合材料铸锭。步骤三：将步骤二中的铸锭在650℃进行8h均匀化退火，然后在β相变点以上20-60℃开坯锻造。步骤四：将步骤三中的铸锭，在热处理炉中加热到相变点以下10-40℃，保温20min-60min。随后取出进行多向锻造，锻造工艺为：XYZ三个方向变形量相等，变形量为30%-50%，变形速率0.05-0.5s-1，锻造道次为1-4道次，锻后空冷。步骤五：将步骤四中锻后空冷试样放于加热炉中，加热到600℃-800℃，保温20min-60min，空冷，得到高温钛基复合材料。本专利技术的有益效果是：无需经过长时间的时效处理，通过控制成分，利用多向锻造和热处理，得到控制特征的硅化物。硅化物弥散分布在α/β相界和α相内，硅化物体积分数为2%-5%，形态为球状颗粒，尺度约为50-100nm。专利技术专利CN1224732C公开了一种硅化物颗粒增强高温钛基复合材料的制备技术。该技术以钛、锆、硅为主原料、钼、铌(或其中之一)为添加元素，经过合金制备和雾化制粉后制得钛锆硅合金粉末。合金粉末压制成压坯后，进行热压烧结得到原位自生的硅化物颗粒增强钛基复合材料。本专利技术不同于专利技术专利CN1224732C的之处在于合金成分不同，成形手段不同，添加Si元素含量不同，得到的硅化物硅的尺度不同，且不要长时间烧结和热处理。专利技术专利CN101302589B公开了一种近α高温钛合金中α2相和硅化物的协调控制方法。本专利技术与专利CN101302589B不同之处在于本专利技术利用多道次的多向锻造加短时热处理，控制硅化物特征，不需要长时间时效热处理，避免了硅化物在长时间热处理时的粗化，本专利技术方法在可控析出的硅化物同时能够有效的抑制脆性相α2相析出。专利技术专利CN105463222B公开了一种原位自生TiC-Ti5Si3颗粒增强钛基复合材料的制备方法。本专利技术不同于专利CN105463222B的之处在于其硅化物是熔炼过程中原位自生的，尺寸较大，且分布不可控，而本专利技术中硅化物含量可控，尺度为纳米级，能够在基体中均匀分布。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：（1）通过控制高温钛基复合材料的成分，使得硅化物在α+β两相区高温区对复合材料进行多向锻造时更容易析出；（2）通过多道次多向锻造结合后续热处理工艺，使得硅化物在基体内均匀弥散分布，均匀弥散分布的硅化物相较于在α/β相界处析出的硅化物对材料的蠕变性能更有利；（3）硅在β相内的溶解温度要高于α相中的溶解温度，通过合理选择锻造温度，来控制变形开始时组织中β相的含量，锻造使得硅化物在β相内析出，锻造结束空冷过程中析出的硅化物促进次生α相发生动态再结晶，获得细小的等轴α相；（4）通过多向锻造后的热处理温度和保温时间，控制硅化物析出含量，还能够消除锻造过程产生的内应力。附图说明图1是实施例一中得到的均匀分布的纳米级硅化物。图2是实施例一中硅化物的透射电镜形貌。具体实施方式具体实施例1一、确定基体高温钛合金成分为Ti-6Al-4Sn-9Zr-0.5Mo-0.8Nb-0.9W-0.35Si，增强相为TiB，体积分数为3%，其中Zr:Si=26。二、选用零级海绵钛（纯度99.9%）、海绵锆（99.7%）、高纯铝锭（99.9%）、锡锭（99.7%）、Al-Mo合金（Mo含量53%）Al-Nb合金（Nb含量53%）、Al-W合金（W含量56%）、高纯硅。其中纯铝的补偿量为6%，锆的补偿量为8%，锡的补偿量为8%。复合材料中的TiB由TiB2和Ti原位反应生成，因此需要将3%体积分数的TiB折算成的TiB2加入量。将计算称量好的料，装入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉内，熔炼后浇注到金属模具内，获得高温钛基复合材料铸锭。三、将铸锭取出后在650℃进行8小时的均匀化退火，然后将铸锭加热到1050℃，进行开坯锻造，锻后空冷。四、将铸锭移入温度为990℃的炉子中保温30min，取出进行多向锻造，变形速率为0.05s-1，XYZ三个方向变形量分别为40%-40%-40%。按此工艺参数进行4道次的多向锻造，锻后试样空冷至室温。五、将锻造后试样进行热处理。将试样加热至650℃，在炉内保温时间50min，然后取出空冷。具体实施例2一、确定基体高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温钛基复合材料控制硅化物特征的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：确定基体高温钛合金成分和增强相种类及体积分数，进行配料计算；/n步骤二：真空感应熔炼获得高温钛基复合材料铸锭；/n步骤三：对步骤二铸锭进行均匀化退火，然后对铸锭进行开坯锻造，锻后空冷；/n步骤四：对步骤三空冷后试样进行加热，保温，然后进行多向锻造，锻后空冷；/n步骤五：将步骤四锻后空冷试样进行热处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种高温钛基复合材料控制硅化物特征的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：确定基体高温钛合金成分和增强相种类及体积分数，进行配料计算；
步骤二：真空感应熔炼获得高温钛基复合材料铸锭；
步骤三：对步骤二铸锭进行均匀化退火，然后对铸锭进行开坯锻造，锻后空冷；
步骤四：对步骤三空冷后试样进行加热，保温，然后进行多向锻造，锻后空冷；
步骤五：将步骤四锻后空冷试样进行热处理。


2.根据权利要求1所述的高温钛基复合材料控制硅化物特征的方法，其特征于：基体合金为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-W-Nb-Si系，增强相为TiB、TiC中的一种或者两种的混合；材料成分按照重量百分比组成为：5%-9%Al、4%-7%Sn、4%-10%Zr、0.5%-2%Mo、0-1%Nb、0-2%W、0.2%-0.7%Si，余量为Ti，其中Zr:Si含量比值范围为：10:1-30:1，增强相的体积分数为1%-5%。

【专利技术属性】
技术研发人员：赵而团，孙世臣，胡辰，于金瑞，安钰坤，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37