CN112359237B - 基于微结构主动构造型α/β双相钛合金材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于微结构主动构造型α/β双相钛合金材料及制备方法，属于材料技术领域。本发明的制备方法采用(高塑性)α型钛合金颗粒和(高强度)β型钛合金颗粒为原料，通过球磨混合结合粉末冶金烧结方法主动构造出α/β双相复合结构，实现新型钛合金材料的制备，大大提升了钛合金材料的强度和韧性。本制备方法一方面有效克服了传统方法制备钛合金过程中α、β两相无法主动构造的技术难题；另一方面通过发挥α、β两相变形协调作用也有效解决了传统方法制备的钛合金强韧性不匹配等问题。本发明方法制备的新型微结构主动构造型α/β双相钛合金材料兼顾高强度和高韧性等优点，能够更好的满足航空航天等要求低密度高强高韧的高技术领域。

Description

基于微结构主动构造型α/β双相钛合金材料及制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及基于微结构主动构造型α/β双相钛合金材料及制备方法。

背景技术

钛合金由于具有轻质、比强度高、机械性能好和耐腐蚀性等优点，已经成为航空航天技术领域和军工领域重要结构材料。钛合金材料主要用于制造飞行设备中各种结构部件以及军用装甲防护材料，其作用主要是承受各种载荷，包括静态载荷和各种动态载荷。因此，钛合金结构材料性能的好坏直接决定了航空航天设备以及装甲防护装备的使用寿命和安全性。

与此同时，随着新一代航天器和装甲设备对合金性能的不断提高，要求结构材料具有更高的强度和韧性(抗拉强度在1100～1300MPa以上，断裂韧性在55MPa^1/2以上)。但是，传统钛合金，例如Ti-6Al-4V合金，其抗拉强度只有900～1000MPa左右，延伸率10％～15％左右，已经不能满足未来航天和军用设备的服役要求。而大多数新型钛合金既成本高昂又往往不能兼顾高强度和高韧性的匹配。因此，开发低成本高强钛合金结构材料具有非常广阔的应用前景。

迄今为止，改善材料性能主要是通过调整材料的微观组织(例如变形强化、细晶强化、弥散强化、固溶强化等方法)来实现的。但上述传统方法在提高材料强度的同时，会降低材料塑性和韧性。与此同时，近年来研究表明通过改变钛合金中α相或β相(形态、尺寸或比例)，能够实现钛合金高强度和高韧性的协同优化。然而，在钛合金全流程制备工艺过程中，对微观组织的调控影响因素众多且两相由于元素扩散导致其性能差距并不大，很难单独、主动调控α、β单相的性能水平，无法充分发挥其高塑性与高强度的协同作用，故仍然比较“被动”。

因此，提供一种能够“主动”调控α、β两相的尺寸、形态、比例和分布等的钛合金制备方法，充分发挥钛合金中α相的高塑性和β相的高强度的协同作用，实现对钛合金中精细结构的主动控制，获得兼顾高强度和高韧性的钛合金结构材料，则成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种基于微结构主动构造型α/β双相钛合金材料的制备方法，解决了传统方法制备钛合金过程中α、β两相无法主动构造的技术难题，通过充分发挥α、β两相协调变形作用，解决了传统方法制备的钛合金强韧性不匹配等问题。

本发明还提供了上述制备方法制成的基于微结构主动构造型α/β双相钛合金材料。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的一种基于微结构主动构造型α/β双相钛合金材料的制备方法，该方法以α型钛合金颗粒和β型钛合金颗粒为原料，进行球磨混合，获得混合均匀的混合颗粒；将所述混合颗粒装进模具压制成型，再冶金烧结，得到主动构造型α/β双相钛合金材料。

本发明的部分实施方案中，所述α型钛合金颗粒与β型钛合金颗粒的质量比为1:10-10:1；优选地，所述α型钛合金颗粒与β型钛合金颗粒的质量比为1:5-5:1；更优选为1:3-2:1。

作为本发明的一些实施例，所述α型钛合金颗粒是Mo当量小于4，以α相为主的钛合金颗粒；优选地，所述α型钛合金颗粒包括TA1、TA2、TA3中的任意一种或几种；优选地，所述α型钛合金颗粒的粒径为0.05-1000μm。

本发明的部分实施方案中，所述β型钛合金颗粒是Mo当量大于等于10并小于等于50的，以β相为主的钛合金颗粒；优选地，所述β型钛合金颗粒包括TB6、TB8、TB9中的任意一种或几种；优选地，所述β型钛合金颗粒的粒径为0.05-1000μm。

本发明的部分实施方案中，将α型钛合金颗粒、β型钛合金颗粒以及溶剂一起置于球磨罐中球磨；

优选地，所述溶剂为有机溶剂；进一步优选地，所述溶剂包括酒精、丙酮或硬脂酸中的任意一种或几种；

优选地，所述溶剂的用量为球磨罐体积的1/4-3/4。

本发明的技术方案中，采用溶剂与α型钛合金颗粒、β型钛合金颗粒混合球磨时，球磨完成后，将所得混合物过滤，再将滤渣干燥，干燥后的滤渣用于模具压制成型。

优选地，过滤为抽滤；

优选地，所述干燥为真空干燥，进一步优选地，于80～140℃温度下干燥1～48h。

本发明的一些实施例中，所述球磨混合时球磨转速为10-1000r/min，球磨时间为0.1-100h；优选地，转速为10-300r/min或400-1000r/min。

本发明通过球磨转速的控制，从而得到等轴型或层状型的α/β双相钛合金。

当转速较低时(大于0小于等于300r/min)，能在保证颗粒混合均匀的前提下，形状尽可能保持球形，从而使烧结的样品是等轴型的α/β双相钛合金。

当转速较高时(大于等于400小于等于1000r/min)，在保证两种颗粒之间基本不互溶的前提下，使得球磨后的混合颗粒形状是饼状，从而使烧结的样品是层状型的α/β双相钛合金。

作为本发明的部分实施方案，所述压制成型的方法为冷等静压、或/和模压；压制的压力为30-500MPa。

本发明的部分实施方案中，所述冶金烧结包括气氛热压烧结、真空热压烧结、放电等离子体烧结、微波烧结中的任意一种或几种，烧结温度为400-1300℃，保温时间为1min-20h。

本发明的部分实施方案还包括退火处理步骤，将烧结后的材料进行退火处理，得到微结构主动构造型α/β双相钛合金材料。

优选地，在真空管式炉中真空退火，退火温度600℃，保温时间30min，升温速度10℃/min，炉冷至室温，降温速度10℃/min。

本发明提供的上述的制备方法制成的基于微结构主动构造型α/β双相钛合金材料。

本发明中的α型钛合金颗粒、β型钛合金颗粒可以采用现有技术制备，也可于市场上购买。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明设计科学，方法简单，操作简便。本发明创造性地将α型钛合金颗粒、β型钛合金颗粒通过机械球磨混合与粉末烧结相结合，主动构造出钛合金中α/β双相复合结构，大大提升了钛合金结构材料的强度和韧性，能够充分发挥α相与β相之间的变形协调作用，克服了常规方法中α相与β相的无法主动构造的问题，更加有利于提高钛合金材料的强度和韧性，更好地满足航空航天和军工领域对结构材料低密度高性能的要求。

附图说明

附图1为本发明实施例1中的烧结样品结构示意图。

附图2为本发明实施例2中的烧结样品结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如附图1所示，本实施例公开了本发明基于等轴型的微结构主动构造型α/β双相钛合金材料的制备方法，具体为：

将粒径为50μm的TA1颗粒和粒径为50μm的TB6颗粒按质量比为1：1的比例一起放置于1L球磨罐中，其中，TA1颗粒与TB6颗粒的用量分别为15g和15g；再加入250ml的酒精进行球磨，转速为200r/min，球磨时间10h后，将球磨后的粉和酒精的混合液倒入抽滤装置中进行抽滤，将抽滤过后的粉放置真空干燥箱在120℃温度下干燥24h，最终得到球磨后的TA1颗粒与TB6颗粒均匀混合的粉体。

将混合的粉体放置于石墨磨具中压制成型，随后用放电等离子体烧结，升温速度100℃/min，烧结温度为1000℃，压力是50MPa，保温时间5min，从而获得具有高强高韧性微结构主动构造型α/β双相钛合金材料。

本实施例中，球磨转速很低，在保证颗粒混合均匀的前提下，形状尽可能保持球形，从而使烧结的样品是等轴型的α/β双相钛合金。

实施例2

如附图2所示，本实施例公开了本发明的基于层状型的微结构主动构造型α/β双相钛合金材料的制备方法，具体为：

将粒径为80μm的TA1颗粒和粒径为80μm的TB8颗粒按质量比为1：1的比例一起放置于1L球磨罐中，其中，TA1颗粒与TB8颗粒的用量分别为15g和15g；再加入250ml的酒精进行球磨，转速为600r/min，球磨时间20h后，将球磨后的粉和酒精的混合液倒入抽滤装置中进行抽滤，将抽滤过后的粉放置真空干燥箱在120℃温度下干燥24h，最终得到球磨后的TA1颗粒与TB8颗粒均匀混合的粉体。

将混合的粉体放置于石墨磨具中压制成型，随后用放电等离子体烧结，升温速度100℃/min，烧结温度为1000℃，压力是50MPa，保温时间5min，从而获得具有高强高韧性微结构主动构造型α/β双相钛合金材料。

本实施例中，在保证两种颗粒之间基本不互溶的前提下，球磨的转速尽量高，时间也足够长，使得球磨后的混合颗粒形状是饼状，从而使烧结的样品是层状型的α/β双相钛合金。

实施例3

本实施例提供了本发明的经退火处理的钛合金材料的制备方法，具体为：

将实施例1制得的微结构主动构造型α/β双相钛合金材料放置在真空管式炉中真空退火，退火温度600℃，保温时间30min，升温速度10℃/min，炉冷至室温，降温速度10℃/min。

本实施例通过退火处理，控制合适温度和时间，能进一步提高微结构主动构造型α/β双相钛合金材料材料的强度和韧性。最终所得钛合金动态压缩性能达到抗压强度1750MPa，塑性20％左右，明显优于常规钛合金Ti-6Al-4V，具有广阔应用前景。

实施例4

本实施例对本发明的球磨转速的速度进行了考察，具体为参照实施例1的方法制备钛合金材料，区别仅在于球磨转速的不同，其余条件均相同。而后对所得样品材料进行显微观察，结果如下表所示：

表1

结果表明，当转速为100、200、300r/min时，最终所得样品为等轴型的α/β双相钛合金；当转速为400r/min时，最终所得样品为层状型的α/β双相钛合金。表明通过球磨转速的控制，能得到等轴型或层状型的α/β双相钛合金。

实施例6

本实施例对本发明的α型钛合金颗粒与β型钛合金颗粒的用量比进行了考察，具体为参照实施例1的方法制备钛合金材料，区别仅在于α型钛合金颗粒与β型钛合金颗粒的用量比的不同，其余条件均相同，并对制得的材料进行了动态压缩性能测试，结果如下表所示。

表2

编号	α：β质量比	动态力学性能指标
			1	2:1	抗压强度1500MPa，塑性30％
2	1:1	抗压强度1750MPa，塑性25％
			3	1:2	抗压强度1850MPa，塑性20％
4	1:3	抗压强度1900MPa，塑性10％

结果表明，增加α型钛合金颗粒的比例，所得钛合金材料的塑性增强，但抗压强度降低；增加β型钛合金颗粒的比例，所得钛合金材料的抗压强度增强，但塑性降低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于微结构主动构造型α/β双相钛合金材料的制备方法，其特征在于，以α型钛合金颗粒和β型钛合金颗粒为原料，进行球磨混合，获得混合均匀的混合颗粒；将所述混合颗粒装进模具压制成型，再冶金烧结，得到主动构造型α/β双相钛合金材料；其中，所述α型钛合金颗粒与β型钛合金颗粒的质量比为1:2-2:1，所述球磨混合时球磨转速为100-1000r/min，球磨时间为10-20h，所述冶金烧结为放电等离子体烧结，烧结温度为400-1000℃；所述α型钛合金颗粒包括TA1、TA2、TA3中的任意一种或几种，α型钛合金颗粒的粒径为0.05-1000μm；所述β型钛合金颗粒包括TB6、TB8、TB9中的任意一种或几种，所述β型钛合金颗粒的粒径为0.05-1000mm。

2.根据权利要求1所述的一种基于微结构主动构造型α/β双相钛合金材料的制备方法，其特征在于，将α型钛合金颗粒、β型钛合金颗粒以及溶剂一起置于球磨罐中球磨。

3.根据权利要求2所述的一种基于微结构主动构造型α/β双相钛合金材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂包括酒精、丙酮或硬脂酸中的任意一种或几种，溶剂的用量为球磨罐体积的1/4-3/4。

4.根据权利要求1所述的一种基于微结构主动构造型α/β双相钛合金材料的制备方法，其特征在于，所述压制成型的方法为冷等静压、或/和模压；压制的压力为30-500MPa。

5.根据权利要求1所述的一种基于微结构主动构造型α/β双相钛合金材料的制备方法，其特征在于，还包括退火处理步骤，将烧结后的材料进行退火处理，得到微结构主动构造型α/β双相钛合金材料。

6.权利要求1-5任意一项所述的制备方法制成的基于微结构主动构造型α/β双相钛合金材料。

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