一种高强度钛基复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料制备
技术领域
，涉及一种高强度钛基复合材料的制备方法。背景技术
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。许多国家对钛以及钛合金进行了大量的研究与开发，使其得到了很多的应用，但随着现代科学技术的飞速发展，人们对材料提出了更高性能的要求，钛合金存在的生产成本高、刚度低和硬度偏低等缺点，极大地限制了钛合金的使用范围。
钛基复合材料是指通过在纯钛或钛合金基体中加入一种或多种增强相而成为具有更优越性能的复合材料；钛合金基体粉末一般是采用气雾化的方法制备获得，价格比较昂贵，而纯钛基体粉末相对比较便宜。以纯钛粉末制备复合材料很流行，但由于使用的要求更加苛刻，强度和塑性无法满足，所以要继续强化；而采用钛合金粉末虽然有望获得较好的强度，但是制备钛合金粉末需要的成本更高，考虑到经济性，需要利用其他方法对复合材料进行强化。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度钛基复合材料的制备方法，解决了现有技术中存在的钛基复合材料强度差、塑性差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种高强度钛基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、称取Ti粉末、CrB2粉末和氧化锆球，将Ti粉末、CrB2粉末和0.04-0.12wt％真空泵油放入三维震动混粉机的混料瓶中混合1-1.5h，然后加入氧化锆球继续混合2-3h，混合时混粉机的震动频率为30-60Hz，得到混合粉末A；
步骤2、将步骤1得到的混合粉末A放入模具中进行压制，压制成坯体B；
步骤3、将步骤2得到的坯体B，采用真空快速热压烧结炉进行烧结，得到复合材料C；
步骤4、采用马弗炉对步骤3得到的复合材料C进行保温，然后再进行墩粗，冷却后得到高强度钛基复合材料。
本发明的特点还在于：
步骤1中CrB2粉末与Ti粉末的质量分数比为0.01-0.1:1，Ti粉末的粒径为20-30μm，CrB2粉末粒径为0.5-1μm。
步骤1中CrB2粉末与Ti粉末的质量和与氧化锆球的质量之比为1-3：1。
步骤1中氧化锆球包括大球和小球，大球和小球之比为3-5:1，大球直径为9-11μm，小球直径为5-6μm。
步骤2中模具选用直径40mm的石墨模具，压制过程中保持均匀加压，压制压力为4-8MPa，保压时间为1-6min。
步骤3中烧结的升温速度为80-100℃/min，烧结压力为30-40MPa，烧结温度为900-1000℃，烧结时间为1-2h。
步骤4中保温温度为800-1000℃，保温时间为10-30min。
步骤4中镦粗时的压力为8-12Mpa，冷却采用空气中冷却。
本发明的有益效果是：本发明通过在Ti粉中添加CrB2粉末，通过粉末冶金的方法制备Ti-CrB2复合材料，在基体中形成TiB晶须，从而达到强化的目的。此外，由于Cr是β钛稳定元素，可以大量保留钛基体中β钛的含量，从而提高其塑韧性。Ti-CrB2体系的复合材料硬度达到了300-500Hv，抗拉强度达到了850-1250MPa；而未添加CrB2的复合材料硬度只能达到200-250Hv，抗拉强度650-750MPa。很明显在加入CrB2体系的Ti-CrB2复合材料硬度和抗拉强度更好，性能更加优异，可以更好的应用在航空航天和汽车工业等领域，适用于更高性能要求的行业。
附图说明
图1是本发明实施例1得到的高强度钛基复合材料1000倍金相组织图；
图2是本发明实施例2得到的高强度钛基复合材料1000倍金相组织图；
图3是本发明实施例3得到的高强度钛基复合材料1000倍金相组织图；
图4是本发明实施例4得到的高强度钛基复合材料1000倍金相组织图；
图5是本发明实施例5得到的高强度钛基复合材料1000倍金相组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种高强度钛基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、称取Ti粉末、CrB2粉末和氧化锆球，CrB2粉末与Ti粉末的质量分数比为0.01-0.1:1，Ti粉末的粒径为20-30μm，CrB2粉末粒径为0.5-1μm，CrB2粉末与Ti粉末的质量和与氧化锆球的质量之比为1-3：1，氧化锆球包括大球和小球，大球和小球之比为3-5:1，大球直径为9-11μm，小球直径为5-6μm，将Ti粉末、CrB2粉末和0.04-0.12wt％真空泵油放入三维震动混粉机的混料瓶中混合1-1.5h，然后加入氧化锆球继续混合2-3h，混合时混粉机的震动频率为30-60Hz，得到混合粉末A；
步骤2、将步骤1得到的混合粉末A放入模具中进行压制，模具选用直径40mm的石墨模具，压制过程中保持均匀加压，压制压力为4-8MPa，保压时间为1-6min，压制成坯体B；
步骤3、将步骤2得到的坯体B，采用真空快速热压烧结炉进行烧结，烧结的升温速度为80-100℃/min，烧结压力为30-40MPa，烧结温度为900-1000℃，烧结时间为1-2h，得到复合材料C；
步骤4、采用马弗炉对步骤3得到的复合材料C进行保温，保温温度为800-1000℃，保温时间为10-30min，然后再进行墩粗，镦粗时的压力为8-12Mpa，空气中冷却后得到高强度钛基复合材料。
实施例1
一种高强度钛基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，对原始粉末进行混粉
准备好所需原始粉末，粒径为20μm的Ti粉末，粒径为0.5μm的CrB2粉末；分别称取56.57gTi粉末，0.36gCrB2粉末，和用到的氧化锆球，将称好的粉末和氧化锆球放好备用；球料比为1:2，大球比小球为3:1，大球直径为9-11mm，小球直径为5-6mm；采用三维震动混粉机进行混粉，三维震动混粉机的频率是50HZ。首先将纯Ti粉末和CrB2粉末中加入0.04％-0.12％质量分数的真空泵油放入塑料瓶中混合1h，再放入氧化锆球，混合2h，得到混合粉末A；
步骤2，压制成型
将步骤1得到的混合粉末A放入模具中进行压制，压制成为坯体B，压制过程中保持均匀加压，选用直径为40mm的石墨模具，压制压力为2MPa，保压时间为2min；
步骤3，坯体烧结
将步骤2得到的坯体B，采用真空快速热压烧结炉进行烧结，烧结得到复合材料C，其中，升温速度为100℃/min，烧结压力为40MPa，烧结温度为1000℃，烧结时间为1h；将装好的石墨模具放入真空快速热压烧结炉的炉腔，插入热电偶，检查无误后开始抽真空，当真空度小于10Pa时开始加热程序，当烧结结束时立即关闭程序，随炉冷却至室温取出所烧结得到的复合材料C，复合材料C的直径为40mm，高度为10mm。
步骤4，试样镦粗
将步骤3烧结得到的复合材料C进行墩粗，在镦粗之前采用马弗炉对试样进行保温，保温温度为850℃，保温时间为20min。对试样进行镦粗时的压力为10MPa，随后取出复合材料C，空冷得到镦粗后的试样D。至此Ti-CrB2体系复合材料制备完成。
本发明实施例1制备的Ti-CrB2体系复合材料的显微组织如图1所示，其组成包括α钛+晶间β钛组织和纤维状的TiB，界面结合良好；利用阿基米德排水法测得Ti-CrB2体系复合材料的密度，计算出致密度；使用型号HBRV-187.5的电动布洛维硬度计，测量维氏硬度，维氏硬度的压头是正四棱锥形的金刚石压头，试验力为30kg·N，保压时间为30s。使用WDW-20的微机控制电子万能试验机，测试抗拉强度。通过上述方法对本方法实施例1制备的Ti-CrB2体系复合材料的密度、硬度和抗拉强度进行测试计算，得到其致密度为99.12％、硬度为307.84Hv，抗拉强度为891MPa。
实施例2
一种高强度钛基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，对原始粉末进行混粉
准备好所需原始粉末，粒径为20μm的Ti粉末，粒径为0.5μm的CrB2粉末；分别称取56.47gTi粉末，0.72gCrB2粉末，和用到的氧化锆球，将称好的粉末和氧化锆球放好备用；球料比为1:2，大球比小球为3:1，大球直径为9-11mm，小球直径为5-6mm；采用三维震动混粉机进行混粉，三维震动混粉机的频率是50HZ。首先将纯Ti粉末和CrB2粉末中加入0.04％-0.12％质量分数的真空泵油放入塑料瓶中混合1h，再放入氧化锆球，混合2h，得到混合粉末A；
步骤2，压制成型
将步骤1得到的混合粉末A放入模具中进行压制，压制成为坯体B，压制过程中保持均匀加压，选用直径为40mm的石墨模具，压制压力为2MPa，保压时间为2min；
步骤3，坯体烧结
将步骤2得到的坯体B，采用真空快速热压烧结炉进行烧结，烧结得到复合材料C，其中，升温速度为100℃/min，烧结压力为40MPa，烧结温度为1000℃，烧结时间为1h；将装好的石墨模具放入真空快速热压烧结炉的炉腔，插入热电偶，检查无误后开始抽真空，当真空度小于10Pa时开始加热程序，当烧结结束时立即关闭程序，随炉冷却至室温取出所烧结得到的复合材料C，复合材料C的直径为40mm，高度为10mm。
步骤4，试样镦粗
将步骤3烧结得到的复合材料C进行墩粗，在镦粗之前采用马弗炉对试样进行保温，保温温度为850℃，保温时间为20min。对试样进行镦粗时的压力为10MPa，随后取出复合材料C，空冷得到镦粗后的试样D。至此Ti-CrB2体系复合材料制备完成。
本发明实施例2制备的Ti-CrB2体系复合材料的显微组织如图2所示，其组成包括α钛+片晶间β钛基体组织和纤维状的TiB，界面结合良好；利用阿基米德排水法测得Ti-CrB2体系复合材料的密度，计算出致密度；使用型号HBRV-187.5的电动布洛维硬度计，测量维氏硬度，维氏硬度的压头是正四棱锥形的金刚石压头，试验力为30kg·N，保压时间为30s。使用WDW-20的微机控制电子万能试验机，测试抗拉强度。通过上述方法对本方法实施例2制备的Ti-CrB2体系复合材料的密度、硬度和抗拉强度进行测试计算，得到其致密度为99.03％、硬度为322.29Hv，抗拉强度为910MPa。
实施例3
一种高强度钛基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，对原始粉末进行混粉
准备好所需原始粉末，粒径为20μm的Ti粉末，粒径为0.5μm的CrB2粉末；分别称取56.38gTi粉末，1.08gCrB2粉末，和用到的氧化锆球，将称好的粉末和氧化锆球放好备用；球料比为1:2，大球比小球为3:1，大球直径为9-11mm，小球直径为5-6mm；采用三维震动混粉机进行混粉，三维震动混粉机的频率是50HZ。首先将纯Ti粉末和CrB2粉末中加入0.04％-0.12％质量分数的真空泵油放入塑料瓶中混合1h，再放入氧化锆球，混合2h，得到混合粉末A；
步骤2，压制成型
将步骤1得到的混合粉末A放入模具中进行压制，压制成为坯体B，压制过程中保持均匀加压，选用直径为40mm的石墨模具，压制压力为2MPa，保压时间为2min；
步骤3，坯体烧结
将步骤2得到的坯体B，采用真空快速热压烧结炉进行烧结，烧结得到复合材料C，其中，升温速度为100℃/min，烧结压力为40MPa，烧结温度为1000℃，烧结时间为1h；将装好的石墨模具放入真空快速热压烧结炉的炉腔，插入热电偶，检查无误后开始抽真空，当真空度小于10Pa时开始加热程序，当烧结结束时立即关闭程序，随炉冷却至室温取出所烧结得到的复合材料C，复合材料C的直径为40mm，高度为10mm。
步骤4，试样镦粗
将步骤3烧结得到的复合材料C进行墩粗，在镦粗之前采用马弗炉对试样进行保温，保温温度为850℃，保温时间为20min。对试样进行镦粗时的压力为10MPa，随后取出复合材料C，空冷得到镦粗后的试样D。至此Ti-CrB2体系复合材料制备完成。
本发明实施例3制备的Ti-CrB2体系复合材料的显微组织如图3所示，其组成包括α钛+晶间β钛组织和纤维状的TiB，界面结合良好；利用阿基米德排水法测得Ti-CrB2体系复合材料的密度，计算出致密度；使用型号HBRV-187.5的电动布洛维硬度计，测量维氏硬度，维氏硬度的压头是正四棱锥形的金刚石压头，试验力为30kg·N，保压时间为30s。使用WDW-20的微机控制电子万能试验机，测试抗拉强度。通过上述方法对本方法实施例2制备的Ti-CrB2体系复合材料的密度、硬度和抗拉强度进行测试计算，得到其致密度为98.99％、硬度为357.52Hv，抗拉强度为1065MPa。
实施例4
一种高强度钛基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，对原始粉末进行混粉
准备好所需原始粉末，粒径为20μm的Ti粉末，粒径为0.5μm的CrB2粉末；分别称取56.18gTi粉末，1.79gCrB2粉末，和用到的氧化锆球，将称好的粉末和氧化锆球放好备用；球料比为1:2，大球比小球为3:1，大球直径为9-11mm，小球直径为5-6mm；采用三维震动混粉机进行混粉，三维震动混粉机的频率是50HZ。首先将纯Ti粉末和CrB2粉末中加入0.04％-0.12％质量分数的真空泵油放入塑料瓶中混合1h，再放入氧化锆球，混合2h，得到混合粉末A；
步骤2，压制成型
将步骤1得到的混合粉末A放入模具中进行压制，压制成为坯体B，压制过程中保持均匀加压，选用直径为40mm的石墨模具，压制压力为2MPa，保压时间为2min；
步骤3，坯体烧结
将步骤2得到的坯体B，采用真空快速热压烧结炉进行烧结，烧结得到复合材料C，其中，升温速度为100℃/min，烧结压力为40MPa，烧结温度为1000℃，烧结时间为1h；将装好的石墨模具放入真空快速热压烧结炉的炉腔，插入热电偶，检查无误后开始抽真空，当真空度小于10Pa时开始加热程序，当烧结结束时立即关闭程序，随炉冷却至室温取出所烧结得到的复合材料C，复合材料C的直径为40mm，高度为10mm。
步骤4，试样镦粗
将步骤3烧结得到的复合材料C进行墩粗，在镦粗之前采用马弗炉对试样进行保温，保温温度为850℃，保温时间为20min。对试样进行镦粗时的压力为10MPa，随后取出复合材料C，空冷得到镦粗后的试样D。至此Ti-CrB2体系复合材料制备完成。
本发明实施例4制备的Ti-CrB2体系复合材料的显微组织如图4所示，其组成包括α钛+晶间β钛组织和纤维状的TiB，界面结合良好；利用阿基米德排水法测得Ti-CrB2体系复合材料的密度，计算出致密度；使用型号HBRV-187.5的电动布洛维硬度计，测量维氏硬度，维氏硬度的压头是正四棱锥形的金刚石压头，试验力为30kg·N，保压时间为30s。使用WDW-20的微机控制电子万能试验机，测试抗拉强度。通过上述方法对本方法实施例1制备的Ti-CrB2体系复合材料的密度、硬度和抗拉强度进行测试计算，得到其致密度为98.96％、硬度为405.12Hv，抗拉强度为1118MPa。
实施例5
一种高强度钛基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，对原始粉末进行混粉
准备好所需原始粉末，粒径为20μm的Ti粉末，粒径为0.5μm的CrB2粉末；分别称取55.97gTi粉末，2.52gCrB2粉末，和用到的氧化锆球，将称好的粉末和氧化锆球放好备用；球料比为1:2，大球比小球为3:1，大球直径为9-11mm，小球直径为5-6mm；采用三维震动混粉机进行混粉，三维震动混粉机的频率是50HZ。首先将纯Ti粉末和CrB2粉末中加入0.04％-0.12％质量分数的真空泵油放入塑料瓶中混合1h，再放入氧化锆球，混合2h，得到混合粉末A；
步骤2，压制成型
将步骤1得到的混合粉末A放入模具中进行压制，压制成为坯体B，压制过程中保持均匀加压，选用直径为40mm的石墨模具，压制压力为2MPa，保压时间为2min；
步骤3，坯体烧结
将步骤2得到的坯体B，采用真空快速热压烧结炉进行烧结，烧结得到复合材料C，其中，升温速度为100℃/min，烧结压力为40MPa，烧结温度为1000℃，烧结时间为1h；将装好的石墨模具放入真空快速热压烧结炉的炉腔，插入热电偶，检查无误后开始抽真空，当真空度小于10Pa时开始加热程序，当烧结结束时立即关闭程序，随炉冷却至室温取出所烧结得到的复合材料C，复合材料C的直径为40mm，高度为10mm。
步骤4，试样镦粗
将步骤3烧结得到的复合材料C进行墩粗，在镦粗之前采用马弗炉对试样进行保温，保温温度为850℃，保温时间为20min。对试样进行镦粗时的压力为10MPa，随后取出复合材料C，空冷得到镦粗后的试样D。至此Ti-CrB2体系复合材料制备完成。
本发明实施例5制备的Ti-CrB2体系复合材料的显微组织如图5所示，其组成包括α钛+晶间β钛组织和纤维状的TiB，界面结合良好；利用阿基米德排水法测得Ti-CrB2体系复合材料的密度，计算出致密度；使用型号HBRV-187.5的电动布洛维硬度计，测量维氏硬度，维氏硬度的压头是正四棱锥形的金刚石压头，试验力为30kg·N，保压时间为30s。使用WDW-20的微机控制电子万能试验机，测试抗拉强度。通过上述方法对本方法实施例1制备的Ti-CrB2体系复合材料的密度、硬度和抗拉强度进行测试计算，得到其致密度为98.87％、硬度为441.30Hv，抗拉强度为1265MPa。
