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CN113862499B - 一种双态组织钛基复合材料的加工制造方法 - Google Patents

一种双态组织钛基复合材料的加工制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双态组织钛基复合材料的加工制造方法，本发明的双态组织钛基复合材料仅通过β相区热变形，不但可以使复合材料致密化，而且具有细化晶粒的作用；极大程度上解决了粉末冶金无法避免的孔隙等缺陷问题；经β相区热变形后，通过后续热处理可以直接得到双态组织，避免了传统钛合金所需的α+β两相区复杂热变形。仅通过后续热处理即可得到双态组织，使热加工工艺得到加大简化。本发明所述双态组织钛基复合材料不仅具有片层组织的高强度与疲劳性能，还具有等轴组织带来的良好的拉伸塑性和疲劳强度，更能满足当下航空、航天等领域复杂服役条件的需求。

Description

一种双态组织钛基复合材料的加工制造方法
技术领域
本发明属于钛基复合材料领域，具体涉及到一种双态组织钛基复合材料的加工制造方法。
背景技术
钛合金因其具有低密度、高比强度、良好的抗腐蚀性能和高温性能等特点，而在航空、航天等领域得到广泛应用。随着现代科学技术的快速发展，对航空、航天用结构材料的高温性能提出了更高的要求。传统固溶强化钛合金不能满足现代航空、航天等工业的进一步需要。为了使钛合金具有高强度和高韧性的同时保持较好的塑性和加工性能，非连续增强钛基合金材料成为先进结构材料研究发展的重要方向，其中TiB被认为是钛基复合材料中最佳增强相之一。
粉末冶金法制备钛基复合材料虽然具有组织均匀、工艺简单材料利用率高等特点，但不可避免的气孔等缺陷使其力学性能受到极大影响。粉末冶金法制备出的钛基复合材料基体组织通常为网篮组织，具有较高的强度，但塑性较差，不能很好地适应当下复杂的服役环境。
发明内容
为解决上述技术问题，提出了一种第三代单晶高温合金的高性能钎焊方法，通过β相区热变形细化晶粒的同时使组织致密化，后续无需α+β两相区仅通过热处理即可得到双态组织；β相区40％～60％的变形量可以起到使组织致密化的作用，又不会导致变形后β晶粒与 TiB存在明显方向性，从而引起显著的各向异性与织构强度的大幅度上升；具体技术方案如下：一种双态组织钛基复合材料的加工制造方法，其制备工艺如下：
步骤一：使用真空自耗炉制备基体钛合金铸锭，铸锭锻造成棒材后采用雾化法将其制成合金粉末；
步骤二：将步骤一所得基体钛合金粉末与微米级TiB2颗粒进行球磨混粉；
步骤三：将混合后的复合材料粉末装入真空密闭容器中进行成型和烧结，成型后获得烧结态复合材料；其中烧结温度为1200～1800℃，压力为10～150Mpa，烧结时间为1～8h。
所述双态组织钛基复合材料烧结成型后进行β相区热变形，将烧结态复合材料在α/β相变点Tβ以上10～100℃加热，变形量应控制在 40％～60％范围内。
所述双态组织钛基复合材料经热变形后在Tβ-20℃～Tβ+30℃范围内进行第一重热处理，热透后保温1～4h后以0.25℃/min～2.5℃/min 速率慢冷，析出大量等轴α相；在低于第一重热处理温度20℃以上，且在Tβ-60℃～Tβ-30℃范围内进行第二重热处理，热透后保温1～4h后空冷或油冷，得到双态组织；在500～700℃进行时效处理，保温6～48h 后空冷。
其所述双态组织钛基复合材料按质量百分比计，合金成分为， Al：5.00％～7.00％，Zr：2.50％～5.50％，Sn：0.50％～3.50％，Mo： 3.00％～5.00％，Si：0.15％～1.50％，W：0.10％～2.00％，B：0.30％～3.00％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
所述一种双态组织钛基复合材料的加工制造方法，其优选方案为所述双态组织钛基复合材料，按质量百分比计，合金成分优选为， Al：6.00％～7.00％，Zr：3.50％～4.50％，Sn：1.50％～2.50％，Mo： 3.50％～4.50％，Si：0.20～1.00％，W：0.50％～1.50％，B：0.50％～2.50％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
所述一种双态组织钛基复合材料的加工制造方法，其优选方案为所用基体钛合金粉末在100～250μm范围内，TiB2颗粒平均粒径在 1～10μm范围内；进一步优选的，基体钛合金粉末平均粒径在 150～200μm范围内，TiB2颗粒平均粒径在2～5μm范围内。
所述一种双态组织钛基复合材料的加工制造方法，其优选方案为热加工采用电炉加热且炉温的有效工作区温差控制在±5℃以内，热处理后双态组织中等轴α相的体积分数在25％～40％范围内。
本发明与现有技术相比具有的优点和有益效果：
1)本发明所述钛基复合材料，仅通过β相区热变形，不但可以使复合材料致密化，而且具有细化晶粒的作用，极大程度上解决了粉末冶金无法避免的孔隙等缺陷问题；
2)经β相区热变形后，仅通过后续热处理可以直接得到双态组织，避免了传统钛合金所需的α+β两相区复杂热变形，使热加工工艺得到加大简化；
3)常规钛基复合材料基体组织通常为网篮组织，而本发明所述双态组织钛基复合材料不仅具有片层组织的高强度与疲劳性能，还具有等轴组织带来的良好的拉伸塑性和疲劳强度，更能满足当下航空、航天等领域复杂服役条件的需求。
附图说明
图1为本发明实施例1烧结态复合材料显微组织照片；
图2为本发明实施例1锻件热处理后显微组织照片；
图3为本发明实施例2锻件热处理后显微组织照片；
图4为本发明实施例3锻件热处理后显微组织照片。
具体实施方式
实施例1：
混合后粉末在1400℃/30Mpa/2h条件下进行烧结，复合材料成分重量百分比为Al：6.20％，Mo：3.8％，Zr：4.10％，Sn：1.80％，W： 1.20％，Si：0.50％，B：1.00％，余量为Ti和其他不可避免的杂质元素，金相法检测合金的β相变转变温度为990℃。如图 1 所示，烧结态复合材料中存在不可避免的孔隙等缺陷。
烧结态复合材料在Tβ+30℃保温一小时后进行热压变形，变形量为50％，经热变形后组织致密化；随后在Tβ+10℃进行热处理，热透后保温2h后以0.5℃/S速率慢冷；在Tβ-30℃进行第二重热处理，热透后保温2h后空冷；最后在550℃下进行时效处理，保温12h后空冷，得到双态组织。
实施例2：
混合后粉末在1300℃/50Mpa/2h条件下进行烧结，复合材料成分重量百分比为Al：6.50％，Mo：4.00％，Zr：3.60％，Sn：2.30％，W： 1.00％，Si：0.30％，B：1.50％，余量为Ti和其他不可避免的杂质元素，金相法检测合金的β相变转变温度为995℃。如图 1 所示，烧结态复合材料中存在不可避免的孔隙等缺陷。
烧结态复合材料在Tβ+10℃保温一小时后进行热压变形，变形量为50％，经热变形后组织致密化；随后在Tβ-10℃进行热处理，热透后保温2h后以1℃/S速率慢冷；在Tβ-30℃进行第二重热处理，热透后保温2h后油冷；最后在600℃下进行时效处理，保温8h后空冷，得到双态组织。
实施例3：
混合后粉末在1500℃/50Mpa/2h条件下进行烧结，复合材料成分重量百分比为Al：6.00％，Mo：3.60％，Zr：4.30％，Sn：1.50％，W： 1.50％，Si：0.50％，B：2.00％，余量为Ti和其他不可避免的杂质元素，金相法检测合金的β相变转变温度为1000℃。如图 1 所示，烧结态复合材料中存在不可避免的孔隙等缺陷。
烧结态复合材料在Tβ+20℃保温一小时后进行热压变形，变形量为50％，经热变形后组织致密化；随后在Tβ-20℃进行热处理，热透后保温2h后以1.5℃/S速率慢冷；在Tβ-50℃进行第二重热处理，热透后保温2h后油冷；最后在600℃下进行时效处理，保温24h后空冷，得到双态组织。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种双态组织钛基复合材料的加工制造方法，其特征在于：
1)所述双态组织钛基复合材料烧结成型后进行β相区热变形，将烧结态复合材料在α/β相变点Tβ以上10～100℃加热，变形量应控制在40％～60％范围内；
2)所述双态组织钛基复合材料经热变形后在Tβ-20℃～Tβ+30℃范围内进行第一重热处理，热透后保温1～4h后以0.25℃/min～2.5℃/min速率慢冷，析出大量等轴α相；在低于第一重热处理温度20℃以上，且在Tβ-60℃～Tβ-30℃范围内进行第二重热处理，热透后保温1～4h后空冷或油冷，得到双态组织；在500～700℃进行时效处理，保温6～48h后空冷；
热处理后双态组织中等轴α相的体积分数在10％～40％范围内；
所述双态组织钛基复合材料按质量百分比计，合金成分为，Al：5.00％～7.00％，Zr：2.50％～5.50％，Sn：0.50％～3.50％，Mo：3.00％～5.00％，Si：0.15％～1.50％，W：0.10％～2.00％，B：0.30％～3.00％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
2.按照权利要求1所述双态组织钛基复合材料及其加工制造方法，其特征在于：所用基体钛合金粉末平均粒径在100～250μm范围内，TiB2颗粒平均粒径在1～10μm范围内。
3.按照权利要求1所述双态组织钛基复合材料的加工制造方法，其特征在于：所述双态组织钛基复合材料由粉末冶金方法制备，其制备工艺如下：
步骤一：使用真空自耗炉制备基体钛合金铸锭，铸锭锻造成棒材后采用雾化法将其制成合金粉末；
步骤二：将步骤一所得基体钛合金粉末与微米级TiB2颗粒进行球磨混粉；
步骤三：将混合后的复合材料粉末装入真空密闭容器中进行成型和烧结，成型后获得烧结态复合材料；其中烧结温度为1200～1800℃，压力为10～150Mpa，烧结时间为1～8h。
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