一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法，该方法包括：一、选择基体材料和增强体材料；二、将增强体材料粉末与基体材料粉末混匀得混合粉末；三、经等离子烧结成型得到钛合金材料坯体；四、轧制或挤压变形加工后经固溶和时效处理，得到TC4钛合金基复合材料。本发明专利技术α+β双相TC4钛合金为基体，引入高强β‑Ti钛合金为增强体，利用基体与增强体强度、塑性的差异，以及两者之间优异的界面相容性，结合热处理调控，使得基体与增强体的性能相互配合弥补并改善，进而非均质结构的TC4钛合金基复合材料的强度和塑性较TC4钛合金材料均得到提升，且更为协调匹配，为国防战略装备的高精度和小型智能化发展提供技术保障。

【技术实现步骤摘要】
一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法
本专利技术属于先进结构材料
，具体涉及一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法。
技术介绍
钛及钛合金材料具有密度小、比强度高以及耐腐蚀性能好等优良特性，其在高性能结构件方面得到广泛应用。针对不同牌号钛合金材料的不同使役条件和应用领域，我国相继研发出高温钛合金、高强钛合金、低温钛合金、耐蚀钛合金、船用钛合金、生物医用钛合金等。这些钛合金材料都是以海绵钛为基体材料，通过添加不同种类和含量的合金化元素固溶强化来提高材料强度和塑性等，获得各种牌号的钛合金材料。例如：在纯钛中添加6at％的Al和4at％的V作为β稳定元素就可以获得综合性能优异且应用广泛的Ti-6Al-4V钛合金。而像高强Ti-1300钛合金材料，其名义成分Ti-5Al-4Mo-4V-4Cr-3Zr极其复杂，简单来说就是通过多次熔炼过程中除过基体Ti以外还要加入合金化元素5at％Al，4at％Mo，4at％V，4at％Cr和3at％Zr来形成固溶强化，制备该类钛合金材料。但是现有高强韧钛合金中，同时满足强度大于1200MPa，断裂韧性大于65MPam1/2的钛合金目前国内外尚无明确的报道，现有的合金也都无法满足该指标要求。Ti-6Al-4V合金是用途最广泛的钛合金材料，在航空、汽车、能源、舰船、医疗器械及体育用品等所有应用领域中，该合金占到50％以上。在航空业中，TC4合金作为结构零部件主要用在隔板、机翼、机架、压气机盘、发动机、叶片、气瓶等。例如：TC4在美国F22“猛禽”战斗机总重中占36％。随着国防战略装备的高精度和小型智能化发展，对航空用TC4钛合金结构材料提出苛刻的要求，需要在满足高强度的同时具有良好的塑性和可加工性。因此，需要寻找新的制备技术和手段开发出可批量生产的高强塑性水平的TC4钛合金材料。
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，提供一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法。该方法以α+β双相TC4钛合金为基体，引入高强β-Ti钛合金为增强体，利用基体与增强体强度、塑性的差异，以及两者之间优异的界面相容性，结合热处理调控，使得基体与增强体的性能相互配合弥补并大大改善，从而使得非均质结构的TC4钛合金基复合材料的强度和塑性较TC4钛合金材料均得到提升，且更为协调匹配。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、选材：选用α+β双相TC4钛合金为基体材料，选用高强β-Ti钛合金为增强体材料；步骤二、混粉：根据步骤一中的选材，将增强体材料粉末与α+β双相TC4钛合金粉末放置于滚筒式混粉机中混合均匀，得到混合粉末；所述α+β双相TC4钛合金粉末由旋转电极法制备得到；步骤三、成型：将步骤二中得到的混合粉末进行等离子烧结成型，得到钛合金材料坯体；步骤四、将步骤三中得到的钛合金材料坯体进行轧制或挤压变形加工，然后依次进行固溶处理和时效处理，得到TC4钛合金基复合材料。现有技术中常常通过向TC4钛合金基体中加入不同种类和含量的合金化元素固溶强化来提高其强度或塑性等力学性能，但该方法对TC4钛合金的强度和塑性的影响存在着此消彼长的矛盾，即要么提高了TC4钛合金强度的同时降低其塑性，要么提高了TC4钛合金塑性的同时降低其强度，无法同时提高TC4钛合金的强度和塑性。本专利技术以α+β双相TC4钛合金为基体，引入含量可控的高强β-Ti钛合金为增强体，依次经混匀、烧结进行粉末冶金成型，然后经变形加工及固溶和时效处理，得到具有非均质结构的TC4钛合金基复合材料。由于TC4钛合金属于中强钛合金，强度适中，但是塑性远高于高强钛合金，而高强β-Ti钛合金有较高的强度，但塑性较差，且TC4钛合金与高强β-Ti钛合金之间的界面属于共格或半共格界面，具有优异的界面相容性，采用本专利技术的工艺同时调控了TC4钛合金基体与高强β-Ti钛合金增强体的性能，使得制备得到的TC4钛合金基复合材料的强度和塑性均得到提升，且更为协调匹配，同时结合固溶和时效热处理工艺，调控了TC4钛合金基体和高强β-Ti钛合金增强体中α组织的析出和长大，使得TC4钛合金基体和高强β-Ti钛合金增强体中α组织更为协调，进一步提高了TC4钛合金基复合材料的强度和塑性，使其较TC4钛合金材料的强度和塑性水平均大大提升。上述的一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法，其特征在于，步骤一中所述增强体材料为Ti-1300、Ti-1400或Ti40高强钛合金。上述优选的高强β-Ti钛合金种类便于通过热处理工艺进行调控并获得高的强度和合适的塑性。上述的一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法，其特征在于，步骤二中所述TC4钛合金粉末的粒径为150μm～300μm；所述增强体材料粉末的粒径为15μm～53μm。优选采用粒径较大的TC4钛合金粉末作为基体粉末，粒径较小的增强体材料粉末，使得增强体材料粉末较为均匀地分布在基体粉末的周围，经后续烧结和热处理后，增强体材料粉末形成的增强体中的α组织均匀析出并有效起到强化作用。上述的一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法，其特征在于，步骤二中所述混合采用的滚筒式混粉机转速为100r/min～400r/min，混合时间为10h～20h，所述混合采用不锈钢磨球，球料比为5：1。该优选的混合工艺参数有效实现了增强体材料粉末和基体粉末的均匀分散效果。上述的一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法，其特征在于，步骤二中所述混合粉末中增强体材料粉末的质量含量为5％～30％。该优选的增强体材料粉末的质量含量有利于提高TC4钛合金基复合材料强韧性匹配能力。上述的一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法，其特征在于，步骤三中所述等离子烧结的温度为1000℃～1300℃，时间为10min～30min，压力为40MPa～60MPa。该优选等离子烧结参数有利于获得高致密度的TC4钛合金基复合材料。上述的一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法，其特征在于，步骤四中所述轧制的温度为900℃～1100℃；所述轧制或挤压变形加工的变形量为50％～90％。该优选轧制温度及变形量促进了增强体在TC4钛合金基体中的均匀分散，并进一步提高了TC4钛合金基复合材料的致密度。上述的一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法，其特征在于，步骤四中所述固溶处理的过程为：在700℃～850℃保温0.5h～3h后空冷；所述时效处理的过程为：在500℃～600℃保温5h～10h后空冷。该优选固溶及时效处理工艺参数同时调控了TC4钛合金基体和增强体材料中α析出相长大行为，从而使得本专利技术制备的TC4钛合金基复合材料获得足够高的强度和塑性。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术以α+β双相TC4钛合金为基体，引入高强β-Ti钛合金为增强体，利用基体与增强体强度、塑性的差异，以及两者之间优异的界面相容性，使得基体与增强体的性能相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n步骤一、选材：选用α+β双相TC4钛合金为基体材料，选用高强β-Ti钛合金为增强体材料；/n步骤二、混粉：根据步骤一中的选材，将增强体材料粉末与α+β双相TC4钛合金粉末放置于滚筒式混粉机中混合均匀，得到混合粉末；所述α+β双相TC4钛合金粉末由旋转电极法制备得到；/n步骤三、成型：将步骤二中得到的混合粉末进行等离子烧结成型，得到钛合金材料坯体；/n步骤四、将步骤三中得到的钛合金材料坯体进行轧制或挤压变形加工，然后依次进行固溶处理和时效处理，得到TC4钛合金基复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、选材：选用α+β双相TC4钛合金为基体材料，选用高强β-Ti钛合金为增强体材料；
步骤二、混粉：根据步骤一中的选材，将增强体材料粉末与α+β双相TC4钛合金粉末放置于滚筒式混粉机中混合均匀，得到混合粉末；所述α+β双相TC4钛合金粉末由旋转电极法制备得到；
步骤三、成型：将步骤二中得到的混合粉末进行等离子烧结成型，得到钛合金材料坯体；
步骤四、将步骤三中得到的钛合金材料坯体进行轧制或挤压变形加工，然后依次进行固溶处理和时效处理，得到TC4钛合金基复合材料。


2.根据权利要求1所述的一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法，其特征在于，步骤一中所述增强体材料为Ti-1300、Ti-1400或Ti40高强钛合金。


3.根据权利要求1所述的一种提升TC4钛合金材料强韧性水平的制备方法，其特征在于，步骤二中所述TC4钛合金粉末的粒径为150μm～300μm；所述增强体材料粉末的粒径为15μm～53μm。


4.根据权利要求1所述的一种提升...

【专利技术属性】
技术研发人员：董龙龙，卢金文，霍望图，刘跃，李亮，张伟，田宁，张于胜，
申请(专利权)人：西安稀有金属材料研究院有限公司，西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：陕西;61