一种基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于有色金属加工技术领域，公开了一种基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料及其制备方法，具体为利用环己烯为碳源原位生成超细晶TiC，结合烧结氢化钛粉末制备钛基复合材料的方法。本发明专利技术制备的TiC增强Ti‑6Al‑4V复合材料合金无压烧结致密度高达99.2％，抗拉强度为1068MPa，断后伸长率为8％，实现烧结氢化钛制备的钛基复合材料拉伸塑性从无到有的突破，调控后的复合材料磨损体积相比Ti6Al4V和耐磨钢分别降低23％和19％，可应用于航空航天、装甲车、兵器、船舶、汽车等领域中的高强或耐磨结构件的低成本制备中；本发明专利技术方法适用于所有成分钛合金的复合材料的制备，具有广泛的适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料及其制备方法
本专利技术属于有色金属加工
，特别涉及一种基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料及其制备方法，具体为利用环己烯为碳源原位生成超细晶TiC，结合烧结氢化钛粉末制备钛基复合材料的方法。
技术介绍
钛是极具应用潜力的有色金属材料。钛及钛合金具有高比强度、低密度、优异的生物相容性和耐腐蚀性能，被广泛应用于航空航天、军工、能源、化工、船舶等领域。克服强塑性矛盾和降低制造成本是钛和钛合金的重要发展方向。钛基复合材料是在钛基体中加入增强相制备而成，其相比钛基体具有较高的强度、较高的服役温度和较优异的耐腐蚀和耐摩擦性能。通常，引入增强相的方式为外加法或内生法。相比于外加法存在的界面反应严重、分散不均匀、残余孔隙率高等问题，内生法添加的增强相与基体界面反应少、界面结合力强且尺寸可控。常用的钛基复合材料增强相为TiC和TiB陶瓷相。目前，铸造法制备钛基复合材料需高于钛熔点的熔炼温度，消耗大量能源，且材料利用率不高；而粉末冶金成形钛基复合材料使用纯钛粉为原料，且大多使用高能源消耗型的烧结方式(如热等静压等)，制造成本相对昂贵。以氢化钛粉末部分或完全替代纯钛粉烧结成形钛材料，是降低粉末冶金钛材成本的重要方法，最大可降低成本30％左右。氢化钛是氢化脱氢法制备钛粉的中间产物，其成本较纯钛粉低。并且，氢化钛脱氢后具有较高的烧结致密化速率，使得制备的块体合金致密度高、力学性能优异。然而，氢化钛的本征脆性使其在机械合金化过程中极易破碎为纳米粉末而引入大量杂质。因此，氢化钛与碳源在机械合金化后烧结的块体合金力学性能差。另外，混合外加增强相颗粒或碳源粉末存在混合不均匀、团聚等问题，且外加陶瓷相与钛基体界面反应严重导致增强效果差，大幅恶化复合材料力学性能。参考文献1(O.M.Ivasishin等，JournalofMaterialsProcessingTech.269(2019)172-181)利用氢化钛为原料通过外加法制备TiC、TiB增强Ti-6Al-4V复合材料，其拉伸塑性小于1％；参考文献2(N.Peillon等，JournalofAlloysandCompounds619(2015)157-164)混粉外加TiC颗粒至氢化钛中制备钛基复合材料，其并未报道拉伸力学性能；参考文献3(JingZeng等，Metals(2018)8303)利用部分氢化钛代替钛粉结合球磨法制备TiB增强钛基复合材料，亦未报道拉伸力学性能。根据文献可知，现有技术存在以下问题：(1)熔铸法制备钛基复合材料是以纯钛为原料且熔炼温度较高(＞1668℃)，消耗大量能源；并且，熔铸钛制品的材料利用率相对低。(2)粉末冶金法制备钛基复合材料大多是以纯钛粉末为原料，并结合球磨、元素混粉等方法引入增强相，但存在以下不足：一是钛粉在球磨过程中极易引入杂质(如氧等)从而降低合金塑性；二是元素混粉引入的增强相存在团聚和尺寸过大问题导致强化效果差；三是需要压力辅助烧结或无压烧结结合热机械处理制备致密合金，其工艺成本相对高。(3)现有烧结氢化钛粉末制备的钛基复合材料存在组织不均匀、致密度低、力学性能差的问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料的制备方法。本专利技术另一目的在于提供上述方法制备得到的原位超细晶TiC增强钛基复合材料。本专利技术再一目的在于提供上述原位超细晶TiC增强钛基复合材料在航空航天、装甲车、兵器、船舶、汽车领域中的高强结构件或耐磨结构件的低成本应用。本专利技术的目的通过下述方案实现：一种基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料的制备方法，将纯Ti粉与其他组分粉末混合，以环己烯为球磨介质进行高能球磨得到TiC/中间合金复合粉末，再与氢化钛粉末混合，经烧结成形，得到原位超细晶TiC增强钛基复合材料。本专利技术方法主要利用液态碳氢化合物环己烯为碳源结合球磨工艺原位生成超细晶TiC；其中，高能球磨过程中，环己烯均匀分布在合金粉末中，被球磨细化破碎的纯钛粉促进环己烯的分解使其释放出游离的C和H，分解的C在球磨的高能量作用下与Ti反应生成纳米级TiC相；烧结过程高温下，纳米级TiC相长大至超细晶TiC，未分解的环己烯在高温条件下进一步分解得到的C与氢化钛脱氢后所得的Ti原位反应生成TiC相，冷却后即可得到原位超细晶TiC增强钛基复合材料，钛合金成分可根据需要进行选择，因此，本专利技术方法适用于所有成分钛合金的复合材料的制备，具有广泛的适用性。本专利技术方法可通过取用不同量的纯Ti粉从而获得不同TiC体积含量的复合材料。所用纯Ti粉的量也可根据目标复合材料中TiC体积含量的需要进行计算得到。本专利技术目标复合材料中TiC体积分数可为1vol.％-10vol.％。所述环己烯的用量相对于每100g混合粉末的用量为10-100mL。所述高能球磨的设备可为QM-2SP20，球磨参数为转速为200-400rpm、球料比为7:1-12:1，球磨时间为50h。或选用其他型号球磨设备，并采用等效参数进行球磨。所述其他组分粉末可根据目标复合材料的成分选择相应的中间合金粉末或金属单质粉末。所述其他组分粉末的粒径优选为25-150μm。优选的，所述烧结成形的方式可为单向模压-真空烧结、冷等静压-真空烧结、热压烧结、放电等离子烧结等中的任意一种。进一步的，所述烧结成形的方式为单向模压-真空烧结。其中，压制压力为200-1000MPa，保压时间为1-120s，真空烧结温度为800-1500℃，保温时间为大于0小于等于6h。进一步的，所述烧结成形的方式为冷等静压-真空烧结。其中，压制压力为50-350MPa，保压时间为1-240s，真空烧结温度为800-1500℃，保温时间为大于0小于等于6h。进一步的，所述烧结成形的方式为热压烧结。其中，烧结压力为10-100MPa，烧结温度为800-1500℃，保温时间为大于0小于等于6h。进一步的，所述烧结成形的方式为放电等离子烧结。其中，烧结压力为20-100MPa，烧结温度为600-1200℃，保温时间为大于0小于等于90min。更优选的，本专利技术所述基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：(1)TiC含量设计：根据Ti与环己烯在不同球磨时间条件下所生成的TiC含量，及目标复合材料中TiC体积分数的需要计算所需纯Ti粉的用量，与其他组分粉末混合；(2)高能球磨：以环己烯为球磨介质，将步骤(1)的混合粉末进行高能球磨，制备TiC/中间合金复合粉末；(3)烧结成形：将步骤(2)所得的TiC/中间合金复合粉末与氢化钛粉末混合，经压制后烧结成形，得到原位超细晶TiC增强钛基复合材料。本专利技术方法以环己烯为碳源，低成本氢化钛粉末为原料，解决了以纯钛粉为原料成本高，以氢化钛为原料制备的钛基复合材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于将纯Ti粉与其他组分粉末混合，以环己烯为球磨介质进行高能球磨得到TiC/中间合金复合粉末，再与氢化钛粉末混合，经烧结成形，得到原位超细晶TiC增强钛基复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于将纯Ti粉与其他组分粉末混合，以环己烯为球磨介质进行高能球磨得到TiC/中间合金复合粉末，再与氢化钛粉末混合，经烧结成形，得到原位超细晶TiC增强钛基复合材料。


2.根据权利要求1所述的基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于具体包括如下步骤：
(1)TiC含量设计：根据Ti与环己烯在不同球磨时间条件下所生成的TiC含量，及目标复合材料中TiC体积分数的需要计算所需纯Ti粉的用量，与其他组分粉末混合；
(2)高能球磨：以环己烯为球磨介质，将步骤(1)的混合粉末进行高能球磨，制备TiC/中间合金复合粉末；
(3)烧结成形：将步骤(2)所得的TiC/中间合金复合粉末与氢化钛粉末混合，经压制后烧结成形，得到原位超细晶TiC增强钛基复合材料。


3.根据权利要求1所述的基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述环己烯的用量相对于每100g混合粉末的用量为10-100mL。


4.根据权利要求1所述的基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述高能球磨的设备为QM-2SP20，球磨参数为转速为200-400rpm、球料比为7:1-12:1，球磨时间为50h；或选用其他型号球磨设备，并采用等效参数进行球磨。


5.根据权利要求1所述的基于环己烯球磨介质的原位超细晶TiC增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：所述其他组分粉末根据目标复合材料的成分选择...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨超，陈涛，屈盛官，李元元，洪振军，贾冬生，卢知渊，王卓，
申请(专利权)人：华南理工大学，内蒙古第一机械集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44