一种原位自生颗粒增强钛基复合材料粉末的制备方法技术

一种原位自生颗粒增强钛基复合材料粉末的制备方法，涉及金属及金属工艺技术领域，针对现有复合材料粉末中增强相与基体是机械结合，粉末球形度和粉末尺寸稳定性不高，增强相分布均匀性无法保证，激光直接作用到陶瓷粉体上会导致飞溅的问题，本发明专利技术利用熔炼过程中的原位自生反应使增强相在钛合金基体中均匀分布，然后采用雾化方法将钛基复合材料棒材制备成球形度高、尺寸分布均匀的钛基复合材料细粉，稳定性高，且可以防止激光作用到陶瓷粉体上会导致飞溅的问题，此外这种工艺制备的钛基复合材料中增强相与基体之间是冶金结合，与机械球磨获得的复合材料粉末相比，由于机械球磨的结合是机械结合，远低于冶金结合，因此本本发明专利技术的结合强度高。

【技术实现步骤摘要】
一种原位自生颗粒增强钛基复合材料粉末的制备方法
本专利技术涉及金属及金属工艺
，具体为一种原位自生颗粒增强钛基复合材料粉末的制备方法。
技术介绍
钛基复合材料具有密度低、比刚度和比强度高、热膨胀系数低、耐腐蚀性好以及高温力学性能优异等特点，在航空航天、国防、海洋和生物医疗等领域有着广泛的应用前景。激光增材制造技术作为一种净成形技术，具有构件加工精度高、可成形复杂结构构件等特点，在高性能钛基复合材料精密及复杂结构构件成形方面具有显著的优势。与传统钛基复合材料成形工艺(铸造、锻造、超塑成形、焊接以及机加工等)相比，激光增材制造钛基复合材料具有构件开发周期短、净成形，显微组织细、力学性能高等优点。普遍认为，TiC和TiB是颗粒增强钛基复合材料中与基体匹配最好的两种增强相。目前用于激光增材成形的颗粒增强钛基复合材料主要是采用低能机械球磨的方法，将TiC或TiB增强相陶瓷颗粒机械镶嵌到钛合金粉末表面，如专利授权号CN105033254B公开的一种高性能原位TiC增强钛基复合材料粉末是通过球磨机将CNT/Ti混合粉末进行球磨得到原位TiC增强钛基复合材料实体，这种方法制备的复合材料粉末中增强相与基体是机械结合。激光增材制造成形技术要求粉末球形度较高、粉末尺寸分布范围窄(通常需要小于50μm)虽然机械合金化的方法可以有效的获得复合材料粉末，但粉末球形度和粉末尺寸稳定性不高，增强相分布均匀性无法保证，激光直接作用到陶瓷粉体上会导致飞溅问题，从而形成构件缺陷的形成。针对这一问题，本专利技术提出了一种铸锭冶金和雾化工艺相结合的方法，制备出增强相原位自生的钛基复合材料粉末。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对现有复合材料粉末中增强相与基体是机械结合，粉末球形度和粉末尺寸稳定性不高，增强相分布均匀性无法保证，激光直接作用到陶瓷粉体上会导致飞溅的问题，提出一种原位自生颗粒增强钛基复合材料粉末的制备方法。本专利技术为了解决上述技术问题采取的技术方案是：一种原位自生颗粒增强钛基复合材料粉末的制备方法，包括以下步骤：步骤一：选择钛合金基体和陶瓷颗粒反应物；步骤二：将钛合金基体和陶瓷颗粒反应物首先进行一次真空感应熔炼，真空度控制在10-2～10-3Pa，熔炼过程中进行电磁搅拌，然后再将真空感应熔炼的铸锭压制电极后进行真空自耗熔炼，得到钛基复合材料二次铸锭，最后将真空自耗熔炼获得的钛基复合材料二次铸锭再次进行真空感应熔炼，并在钛基复合材料完全熔化后进行电磁搅拌，之后将熔体浇注到金属铸型中，最终得到钛基复合材料棒材；步骤三：将钛基复合材料棒材放入雾化设备中进行熔炼和雾化制粉，熔炼时，熔炼温度高于熔点100-200℃，真空度低于10-2Pa，雾化压力3-4MPa，最终获得增强相分布均匀的钛基复合材料粉末，所述的增强相分布均匀的钛基复合材料粉末中增强相含量为2％～20％。进一步的，所述真空自耗熔炼的工艺为：起弧电压为20V-38V，起弧电流为330A-380A，熔炼过程中稳弧电压为10V-40V，真空度为10-2Pa。进一步的，所述陶瓷颗粒反应物为B4C、碳粉和TiB2中一种或几种的混合。进一步的，所述增强相含量为5％。进一步的，所述增强相含量为10％。进一步的，所述真空感应熔炼的具体步骤均为：步骤A：将陶瓷颗粒反应物用钛箔或铝箔包裹，制成预制包；步骤B：将钛合金基体放入真空感应熔炼炉中，并将预制包置于熔炼坩埚的中部；步骤C：熔炼炉抽真空；步骤D：待原料全部熔化后进行电磁搅拌；步骤E：将熔体浇注到金属铸型中，随炉冷却后得到钛基复合材料铸锭，得到铸锭。进一步的，步骤二中所述电磁搅拌时长均为5分钟。本专利技术的有益效果是：本专利技术增强相的成分和含量可以根据产品性能要求选择TiC，TiB或者TiC+TiB混杂，增强相含量在2％～20％，基体为钛合金。本专利技术采用了铸锭冶金法制备钛基复合材料棒材，利用熔炼过程中的原位自生反应使增强相在钛合金基体中均匀分布，然后采用雾化方法将钛基复合材料棒材制备成球形度高、尺寸分布均匀的钛基复合材料细粉，稳定性高，且可以防止激光作用到陶瓷粉体上会导致飞溅的问题，此外这种工艺制备的钛基复合材料中增强相与基体之间是冶金结合，与机械球磨获得的复合材料粉末相比，由于机械球磨的结合是机械结合，远低于冶金结合，因此本本专利技术的结合强度高。附图说明图1为10vol.％的TiC/Ti-6Al-4V基复合材料粉末粒径分布图；图2为10vol.％的TiC/Ti-6Al-4V基复合材料粉末微观形貌图。具体实施方式具体实施方式一：参照图具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种原位自生颗粒增强钛基复合材料粉末的制备工艺，该工艺包括以下步骤：步骤一：按照钛基复合材料的性能要求，选择钛合金基体和陶瓷颗粒反应物(B4C、碳粉、TiB2)，增强相含量在2％～20％。步骤二：将钛合金基体和陶瓷颗粒反应物进行真空感应熔炼两次，真空度控制在10-2～10-3Pa，熔炼过程中陶瓷颗粒添加物与钛合金熔体原位反应生成TiC或TiB增强相。熔炼过程中进行电磁搅拌，使增强相在熔体中均匀分布，然后再将真空感应熔炼的铸锭压制电极后进行真空自耗熔炼，起弧电压为32V，起弧电流为380A，熔炼过程中稳弧电压为28V，真空度为10-2Pa，制备出钛基复合材料二次铸锭，最后将真空自耗熔炼获得的钛基复合材料铸锭再次进行真空感应熔炼，同样在复合材料完全熔化后进行电磁搅拌5分钟后，将熔体浇注到金属铸型中，最终制备出符合雾化设备要求的TiC、TiB或者TiC+TiB混杂钛基复合材料棒材。步骤三：将钛基复合材料棒材放入雾化设备中进行熔炼和雾化制粉，熔炼时，真空度低于10-2Pa；雾化过程中熔体在高压惰性气体的高压气雾化，雾化压力3-4MPa，喷嘴直径2.5mm，最终获得增强相分布均匀的钛基复合材料粉末。实施例1：制备5vol.％的TiB+TiC陶瓷颗粒混杂增强Ti-6Al-4V基复合材料粉末(TiB和TiC两种增强相的体积比为1:1)。按照生成增强相体积分数为5％的复合材料粉末配比要求，称取质量分数分别为0.61％和0.41％的B4C和C陶瓷粉末，混合后制成预制包，将零级或超零级海绵钛、钒铝中间合金以及高纯铝锭放入真空感应熔炼炉中，B4C和C陶瓷粉末的预制包置于熔炼坩埚的中部。然后，开始熔炼炉抽真空，真空度达到10-2Pa以下开始熔炼，熔炼过程中熔炼室真空度始终保持在10-2Pa以下，待原料全部熔化后，使熔体在电磁搅拌作用下保温5分钟左右后，将熔体浇注到不锈钢金属铸型中，冷却后得到钛基复合材料铸锭。再将真空感应熔炼的铸锭压制电极后进行真空自耗熔炼，制备出钛基复合材料二次铸锭，最后将真空自耗熔炼获得的钛基复合材料铸锭再次进行真空感应熔炼，同样在复合材料完全熔化后进行电磁搅拌5分钟后，将熔体浇注到金属铸型中，最终制备出符合雾化设备熔炼尺寸要求的TiB+TiC陶瓷颗粒混杂增强Ti-6Al-4V基复合材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位自生颗粒增强钛基复合材料粉末的制备方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤一：选择钛合金基体和陶瓷颗粒反应物；/n步骤二：将钛合金基体和陶瓷颗粒反应物首先进行一次真空感应熔炼，真空度控制在10

【技术特征摘要】
1.一种原位自生颗粒增强钛基复合材料粉末的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：选择钛合金基体和陶瓷颗粒反应物；
步骤二：将钛合金基体和陶瓷颗粒反应物首先进行一次真空感应熔炼，真空度控制在10-2～10-3Pa，熔炼过程中进行电磁搅拌，然后再将真空感应熔炼的铸锭压制电极后进行真空自耗熔炼，得到钛基复合材料二次铸锭，最后将真空自耗熔炼获得的钛基复合材料二次铸锭再次进行真空感应熔炼，并在钛基复合材料完全熔化后进行电磁搅拌，之后将熔体浇注到金属铸型中，最终得到钛基复合材料棒材；
步骤三：将钛基复合材料棒材放入雾化设备中进行熔炼和雾化制粉，熔炼时，熔炼温度高于熔点100-200℃，真空度低于10-2Pa，雾化压力3-4MPa，最终获得增强相分布均匀的钛基复合材料粉末，所述的增强相分布均匀的钛基复合材料粉末中增强相含量为2％～20％。


2.根据权利要求1所述的一种原位自生颗粒增强钛基复合材料粉末的制备方法，其特征在于所述真空自耗熔炼的工艺为：起弧电压为20V-38V，起弧电流为330A-380A，熔炼过程中稳弧电压为10V-40V，真空度为10-2Pa。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓鹏，陈玉勇，孔凡涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23