【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于先进结构材料，具体涉及一种微波烧结制备高强塑tc4钛合金复合材料的方法。
技术介绍
1、陶瓷颗粒增强钛基复合材料具有的制备简单、成本低、各向同性好以及超高强度等优点，使其在航空航天、武器装备以及石油化工等国家重点工业领域均具有广阔的应用前景。
2、以ti-6al-4v(tc4)钛合金为例，因其为商业化最成熟的钛合金，并且与tic和ti5si3等陶瓷增强体的热膨胀系数相近，所以tc4成为高强塑钛基复合材料基体的不二之选。目前，tc4钛合金复合材料的制备方法主要是熔铸法和粉末冶金法。熔铸法制备的复合材料中增强体的形态和分布均不可控，且基体晶粒容易长大。
3、常规的粉末冶金方法主要有真空烧结、热压烧结和放电等离子烧结等。其中，真空烧结制备的复合材料致密度较低，严重影响性能。热压烧结和放电等离子烧结制备的复合材料致密度在95％以上，但最大的问题是烧结材料的尺寸受限于设备腔体空间而每次只能烧结出尺寸较小的材料坯体。这会给严重限制材料设计和应用，并且生产成本较高和周期较长，给工业化带来很大的困难。与真空烧结和热压烧结相比，微波烧结加热速率高、样品受热均匀，可大幅度改善烧结制品的显微结构和力学性能；与放电等离子烧结相比，无需使用模具，适合制备形状较复杂、尺寸较大的制品，因而具备工业化应用前景。微波烧结技术主要是应用于陶瓷材料的烧结，虽然现已突破了金属材料不能被微波加热的传统观念，利用微波烧结技术加热金属粉末，成功制备出各类块体金属材料，但在制备钛基复合材料方面的应用仍有待开发。
1、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，提供一种微波烧结制备高强塑tc4钛合金复合材料的方法。该方法采用(α+β)型tc4钛合金基体材料，在其中添加纳米碳化硅作为增强相前驱体材料，通过低能球磨、冷等静压和微波烧结的方式制备出高致密度和优异力学性能的复合材料，制备工艺成本较低、应用范围广，易于实现，且整个制备过程耗时短，这为工业化大规模生产结构复杂的钛基复合材料提供了一个切实可行的方法，也为新型超高强金属基复合材料的设计和开发提供了新思路。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种微波烧结制备高强塑tc4钛合金复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
3、步骤一、选材：选用(α+β)型tc4钛合金粉末为基体材料，选用纳米级碳化硅粉末为增强体的前驱体材料；
4、步骤二、混粉：将步骤一中选用的tc4钛合金粉末与碳化硅粉末放置于球磨机中球磨混匀，得到混合粉末；
5、步骤三、成型：利用冷等静压设备将步骤二中得到的混合粉末进行压制成型，得到坯体；
6、步骤四、烧结：利用微波烧结炉对步骤三中得到的坯体进行微波烧结，得到高强塑tc4钛合金复合材料；所述高强塑tc4钛合金复合材料的致密度达到95％以上，抗拉强度为1150mpa～1350mpa，断后延伸率为6％～14％。
7、本专利技术以(α+β)型tc4钛合金为基体材料，纳米碳化硅为增强体的前驱体材料，采用低能球磨的方法，先将tc4粉末与碳化硅粉末球磨混匀，再经微波烧结成型，得到高强塑tc4钛合金复合材料；本专利技术中低能球磨目的是将tc4粉末与碳化硅粉末混合均匀，这是后续微波烧结过程中复合材料粉体受热均匀的关键所在，此外，低能球磨能够保证不同粉末被混合均匀的同时不破坏tc4粉末与碳化硅粉末的形状，能够使粉末保持良好的球形度，不影响其流动性，这为微波烧结后复合材料的高致密度和优异的力学性能提供了保障。
8、本专利技术在微波加热物质的过程中，电场和磁场会同时对物质产生作用，通过热效应和非热效应实现金属粉末在微波场中的加热及烧结，其中热效应与粉末粒径有关，粒径越小，粉末在微波中的加热效果越好，在保证较高纯度的前提下，粒径更小的粉末其成本更高，不利于批量生产，粒径更大的粉末虽然成本降低，但会严重降低微波烧结的效率和材料的致密度，导致材料力学性能降低，因此，本专利技术使用的是较细的粒径在15μm～53μm之间合金粉末，在控制原料成本的同时，提高了粉末烧结的效率和质量。
9、本专利技术在基体粉末中加入了0.6％到1.2％的纳米碳化硅粉末，在成分方面，一定量的纳米碳化硅粉末能够与基体中的钛元素发生原位反应生成陶瓷增强相碳化钛和硅化钛，由于球磨后碳化硅附着在tc4粉末表面，烧结后粉末表面的碳化钛在复合材料内部空间形成三维网状结构，而硅元素能够在烧结过程中能够在tc4合金的β相中固溶和以纳米级硅化钛的形式析出，因此在复合材料内部硅化钛呈弥散分布，它们不但能够显著降低基体的晶粒尺寸，改善材料的强塑性，而且三维网状结构的碳化钛和弥散分布的硅化钛还可以进一步增加材料的力学性能，过低的增强相含量不足以强化tc4合金，而过高的增强相含量会严重降低复合材料的塑性，导致脆断。
10、本专利技术在微波加热机理方面，引入的碳化硅可以使混合粉末在低温下迅速吸收微波，使自身加热至较高温度，并在高温下通过热传递机制对混合粉末持续加热，这就保证了微波烧结持续地高效稳定进行，进而保证了复合材料均匀的微观结构和优异的力学性能。
11、上述的一种微波烧结制备高强塑tc4钛合金复合材料的方法，其特征在于，步骤一中所述tc4钛合金粉末的粒径为15μm～53μm，所述碳化硅粉末的粒径为40nm。本专利技术中通过控制tc4钛合金粉末和碳化硅粉末的粒径，保证了纳米级碳化硅在球磨过程中附着在tc4粉末表面，且在微波烧结过程中容易形成纳米和微米级的增强相颗粒。
12、上述的一种微波烧结制备高强塑tc4钛合金复合材料的方法，其特征在于，步骤二中所述混合粉末中碳化硅粉末的质量含量为0.6％～1.2％。本专利技术中通过控制tc4钛合金粉末和碳化硅粉末比例，使纳米碳化硅粉末能够与基体中的钛元素发生原位反应生成陶瓷增强相碳化钛和硅化钛，它们不但能够显著降低基体的晶粒尺寸，改善材料的强塑性，而且三维网状结构的碳化钛和弥散分布的硅化钛还可以进一步增加材料的力学性能，过低的增强相含量不足以强化tc4合金，而过高的增强相含量会严重降低复合材料的塑性，导致脆断。
13、上述的一种微波烧结制备高强塑tc4钛合金复合材料的方法，其特征在于，步骤二中所述球磨混匀的转速为180rpm～250rpm。本专利技术通过控制球磨混匀的转速，该参数下的球磨能力较低，在保证粉末混合均匀的前提下，还能够是粉末保持较好的球形度，有利于提高烧结后材料的致密度，转速、球料比或球磨时间过低，会使粉末混合不均匀，前驱体粉末发生团聚，严重影响烧结后材料力学性能。转速、球料比或球磨时间过高，则会严重破坏粉末的球形度，降低材料的致密度和力学性能。
14、上述的一种微波烧结制备高强塑tc4钛合金复合材料的方法，其特征在于，步骤三中所述压制成型为冷等静压。本专利技术通过冷等静压将混合粉末压实，增加材料的致密度。
15、上述的一种微波烧结制备高强塑tc4钛合金复合材料的方法，其特征在于，步骤四中所述微波烧结的温度为850℃～105本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种微波烧结制备高强塑TC4钛合金复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种微波烧结制备高强塑TC4钛合金复合材料的方法，其特征在于，步骤一中所述TC4钛合金粉末的粒径为15μm～53μm，所述碳化硅粉末的粒径为40nm。
3.根据权利要求1所述的一种微波烧结制备高强塑TC4钛合金复合材料的方法，其特征在于，步骤二中所述混合粉末中碳化硅粉末的质量含量为0.6％～1.2％。
4.根据权利要求1所述的一种微波烧结制备高强塑TC4钛合金复合材料的方法，其特征在于，步骤二中所述球磨混匀的转速为180rpm～250rpm。
5.根据权利要求1所述的一种微波烧结制备高强塑TC4钛合金复合材料的方法，其特征在于，步骤三中所述压制成型为冷等静压。
6.根据权利要求1所述的一种微波烧结制备高强塑TC4钛合金复合材料的方法，其特征在于，步骤四中所述微波烧结的温度为850℃～1050℃，所述微波烧结在氩气气氛下进行。
【技术特征摘要】
1.一种微波烧结制备高强塑tc4钛合金复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种微波烧结制备高强塑tc4钛合金复合材料的方法，其特征在于，步骤一中所述tc4钛合金粉末的粒径为15μm～53μm，所述碳化硅粉末的粒径为40nm。
3.根据权利要求1所述的一种微波烧结制备高强塑tc4钛合金复合材料的方法，其特征在于，步骤二中所述混合粉末中碳化硅粉末的质量含量为0.6％～1.2％。
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【专利技术属性】
技术研发人员：李明佳，董龙龙，李明洋，徐守凯，
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：
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