專利名稱：TiB增強(qiáng)Ti6Al4V復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
鈦合金材料以其輕質(zhì)、比強(qiáng)度高、中低溫性能好、耐腐蝕等優(yōu)良的性能而成為倍受人們關(guān)注的材料，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域和其他民用領(lǐng)域，如汽車、體育器材等。 Ti6A14V以其優(yōu)異的機(jī)械性能成為眾多鈦合金牌號中應(yīng)用最為廣泛的一種鈦合金材料，基于Ti6A14V的復(fù)合材料也成為倍受人們關(guān)注的焦點(diǎn)。TiB是最常見的一種顆粒增強(qiáng)劑，基于這種顆粒增強(qiáng)的Ti6A14V材料也被廣泛的研究，但采用不同的制備工藝得到的復(fù)合材料性能差別較大。鈦合金零件的精密鑄造方法相對較多，常用的有重力下充型澆注凝固的金屬型鑄造、壓力鑄造和消失模鑄造及反重力下充型凝固的低壓鑄造等。反重力鑄造是利用壓力差反重力地澆注液態(tài)金屬的方法。精密鑄造要求鑄型具有較好的透氣性、較高的強(qiáng)度；另外，液態(tài)鈦合金與空氣接觸易氧化、吸氣，易在鑄件中形成大量氧化夾雜物和氣孔，因此鈦合金熔化澆注時(shí)通常需要附加氣體保護(hù)。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備工藝主要包括粉末冶金，噴射鑄造，有壓或無壓滲透，攪拌復(fù)合等。通過攪拌復(fù)合后可以直接進(jìn)行復(fù)雜鑄件的成形，因此這種方法具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。從原理上說，任何鑄造方法都能用于復(fù)合材料的鑄造，但是由于復(fù)合材料的流動(dòng)性能不及基體合金，因此復(fù)合材料的成形多借助于壓力或離心力。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是多相材料，因此材料的充型能力不僅取決于基體合金的性質(zhì)和工藝參數(shù)，也取決于顆粒在熔體中的濃度和分布狀態(tài)?？偟内厔菔?，隨著顆粒分布的增加，材料的流動(dòng)能力降低。由于復(fù)合材料熔體和基體合金粘度相差很大，故而表現(xiàn)出不同的流動(dòng)特征。TiB顆粒在Ti6A14V 合金中的最大體積分?jǐn)?shù)一般不超過30%。采用常規(guī)方法很難達(dá)到高的復(fù)合比、TiB顆粒在基體合金中的分布也難以均勻，或者加工工藝流程復(fù)雜，難以制備形狀復(fù)雜的零件。至今為止，還沒有采用磁懸浮熔煉結(jié)合反重力真空吸鑄成形制備TiB顆粒增強(qiáng)Ti6A14V的資料報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種TiB增強(qiáng) Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法。該方法采用上腔抽真空的充型方式，可以避免欠鑄和氧化夾雜等鑄造缺陷；采用水冷銅坩堝磁懸浮熔煉-吸鑄技術(shù)，可以避免顆粒分布不均勻以及坩堝材質(zhì)對熔體造成的污染，制備速度快、效率高。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一、稱取鈦箔、海綿鈦、鋁塊、釩塊和二硼化鈦粉，將二硼化鈦粉用鈦箔包裹，然后將稱取的海綿鈦、鋁塊、釩塊和鈦箔包裹的二硼化鈦粉混合后壓制成合金塊；所述合金塊中鈦、鋁和釩的質(zhì)量比為90 :6:4;步驟二、將步驟一中所述合金塊置于懸浮熔煉水冷銅坩堝中，抽真空至10-2 以下，并用氬氣清洗懸浮熔煉水冷銅坩堝2 3次，關(guān)閉中隔閥門，保持上腔真空狀態(tài)為-0. IMI^a -0. 04MPa，對下腔充氬氣至大氣壓，在氬氣保護(hù)條件下，在熔化功率為15KW 20KW的條件下將合金塊加熱熔化，并在磁懸浮力的作用下攪拌均勻，精煉得到合金液；步驟三、壓下升液管和型腔，打開中隔閥門，步驟二中所述合金液在反重力作用下充型，待型腔充滿后，保持結(jié)殼時(shí)間，然后增加下腔氬氣的壓力，合金液在上腔真空、下腔通氬氣增壓的雙重作用下補(bǔ)縮、凝固，得到TiB增強(qiáng)的Ti6A14V復(fù)合材料；所述TiB增強(qiáng)的 Ti6A14V復(fù)合材料中TiB的體積百分含量不大于30%。上述的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法，步驟一中所述壓制的壓力不大于 50MPa。上述的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法，步驟二中所述精煉時(shí)間為60s 120s。上述的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法，步驟三中所述壓下升液管和型腔之前將熔化功率增加3KW 5KW并保持30s 60s，充型時(shí)保持功率不變。上述的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法，步驟三中所述充型時(shí)上腔的真空度為-0. IMPa -0. 04MPa。上述的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法，步驟三中所述充型時(shí)下腔氬氣的壓力為 0. IMPa 0. 2MPa。上述的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法，步驟三中所述充型過程中從充型開始到充滿型腔的時(shí)間為^ 20s，充型后保持的結(jié)殼時(shí)間為Is 10s，凝固保壓時(shí)間為 Imin 5min。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采用磁懸浮熔煉技術(shù)，能夠保持TiB顆粒在熔體中分布均勻，結(jié)殼時(shí)凝固保壓Imin 5min，可以使得接近鑄型表面的金屬液態(tài)凝固，而具有一定的強(qiáng)度，這樣在后續(xù)的高壓凝固階段，不會(huì)因?yàn)閴毫υ黾舆^快而損壞鑄型。2、本發(fā)明首次提出了 TiB顆粒增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的磁懸浮熔煉結(jié)合反重力真空吸鑄成形制備方法，首次給出了復(fù)合材料的真空吸鑄的工藝參數(shù)，首次將磁懸浮熔煉技術(shù)引入顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料成形工藝，解決了目前該復(fù)合材料所存在的成型問題。3、本發(fā)明采用上腔抽真空的充型方式，可以避免欠鑄和氧化夾雜等鑄造缺陷；采用水冷銅坩堝磁懸浮熔煉-吸鑄技術(shù)，可以避免顆粒分布不均勻以及坩堝材質(zhì)對熔體造成的污染，制備速度快、效率高。4、采用本發(fā)明的方法制備的TiB顆粒增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料鑄件機(jī)械性能良好， 適合制備形狀復(fù)雜的精密零件。下面通過實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
TiB體積百分含量為5%的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備步驟一、按照Ti6A14V復(fù)合材料的名義成分和TiB的體積百分含量稱取鈦箔、海綿鈦、鋁塊、釩塊和二硼化鈦粉，將二硼化鈦粉用鈦箔包裹，然后將稱取的海綿鈦、鋁塊、釩塊和鈦箔包裹的二硼化鈦粉混合后用油壓機(jī)在壓力不大于50MPa的條件下壓制成合金塊；所述合金塊中鈦、鋁和釩的質(zhì)量比為90 :6:4;步驟二、將步驟一中所述合金塊置于懸浮熔煉水冷銅坩堝中，抽真空至10-2 以下，并用氬氣清洗懸浮熔煉水冷銅坩堝3次，關(guān)閉中隔閥門，保持上腔真空狀態(tài)為-0. 04MPa，對下腔充氬氣至大氣壓，在氬氣保護(hù)條件下，熔化功率為18KW的條件下將合金塊加熱熔化，并在磁懸浮力的作用下攪拌均勻，精煉90s得到合金液；步驟三、加大熔化功率至21KW并保持40s，然后保持該功率，壓下升液管和型腔，打開中隔閥門，步驟二中所述合金液在反重力作用下充型，充型時(shí)上腔的真空度為-0. 04MPa，從充型開始到充滿型腔的時(shí)間為15s，待型腔充滿后，保持結(jié)殼時(shí)間10s，然后增加下腔氬氣壓力至0. 15Mpa，合金液在上腔真空，下腔增壓的雙重作用下補(bǔ)縮、凝固，凝固保壓5min，關(guān)閉真空，關(guān)閉氬氣，充型結(jié)束，開型腔，取件，得到TiB體積百分含量為5%的 TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料。本實(shí)施例采用上腔抽真空的充型方式，可以避免欠鑄和氧化夾雜等鑄造缺陷；采用磁懸浮熔煉技術(shù)，能夠保持TiB顆粒在熔體中分布均勻，結(jié)殼時(shí)凝固保壓5min，可以使得接近鑄型表面的金屬液態(tài)凝固，而具有一定的強(qiáng)度，這樣在后續(xù)的高壓凝固階段，不會(huì)因?yàn)閴毫υ黾舆^快而損壞鑄型。實(shí)施例2TiB體積百分含量為15%的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備步驟一、按照Ti6A14V復(fù)合材料的名義成分和TiB的體積百分含量稱取鈦箔、海綿鈦、鋁塊、釩塊和二硼化鈦粉，將二硼化鈦粉用鈦箔包裹，然后將稱取的海綿鈦、鋁塊、釩塊和鈦箔包裹的二硼化鈦粉混合后用油壓機(jī)在壓力不大于50MPa的條件下壓制成合金塊；所述合金塊中鈦、鋁和釩的質(zhì)量比為90 :6:4;步驟二、將步驟一中所述合金塊置于懸浮熔煉水冷銅坩堝中，抽真空至10-2 以下，并用氬氣清洗懸浮熔煉水冷銅坩堝3次，關(guān)閉中隔閥門，保持上腔真空狀態(tài)為-0. 07MPa，對下腔充氬氣至大氣壓，在氬氣保護(hù)條件下，熔化功率為20KW的條件下將合金塊加熱熔化，并在磁懸浮力的作用下攪拌均勻，精煉120s得到合金液；步驟三、加大熔化功率至MKW并保持30s，然后保持該功率，壓下升液管和型腔，打開中隔閥門，步驟二中所述合金液在反重力作用下充型，充型時(shí)上腔的真空度為-0. 07MPa，從充型開始到充滿型腔的時(shí)間為5s，待型腔充滿后，保持結(jié)殼時(shí)間5s，然后增加下腔氬氣壓力至0. 2Mpa，合金液在上腔真空，下腔增壓的雙重作用下補(bǔ)縮、凝固，凝固保壓:3min，關(guān)閉真空，關(guān)閉氬氣，充型結(jié)束，開型腔，取件，得到TiB體積百分含量為15%的TiB 增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料。本實(shí)施例采用上腔抽真空的充型方式，可以避免欠鑄和氧化夾雜等鑄造缺陷；采用磁懸浮熔煉技術(shù)，能夠保持TiB顆粒在熔體中分布均勻，結(jié)殼時(shí)凝固保壓3min，可以使得接近鑄型表面的金屬液態(tài)凝固，而具有一定的強(qiáng)度，這樣在后續(xù)的高壓凝固階段，不會(huì)因?yàn)閴毫υ黾舆^快而損壞鑄型。
實(shí)施例3TiB體積百分含量為30%的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備步驟一、按照Ti6A14V復(fù)合材料的名義成分和TiB的體積百分含量稱取鈦箔、海綿鈦、鋁塊、釩塊和二硼化鈦粉，將二硼化鈦粉用鈦箔包裹，然后將稱取的海綿鈦、鋁塊、釩塊和鈦箔包裹的二硼化鈦粉混合后用油壓機(jī)在壓力不大于50MPa的條件下壓制成合金塊；所述合金塊中鈦、鋁和釩的質(zhì)量比為90 :6:4;步驟二、將步驟一中所述合金塊置于懸浮熔煉水冷銅坩堝中，抽真空至10’a以下，并用氬氣清洗懸浮熔煉水冷銅坩堝2次，關(guān)閉中隔閥門，保持上腔真空狀態(tài)為-0. IMPa, 對下腔充氬氣至大氣壓，在氬氣保護(hù)條件下，熔化功率為15KW的條件下將合金塊加熱熔化，并在磁懸浮力的作用下攪拌均勻，精煉60s得到合金液；步驟三、加大熔化功率至20KW并保持60s，然后保持該功率，壓下升液管和型腔，打開中隔閥門，步驟二中所述合金液在反重力作用下充型，充型時(shí)上腔的真空度為-0. IMPa，從充型開始到充滿型腔的時(shí)間為20s，待型腔充滿后，保持結(jié)殼時(shí)間ls，然后增加下腔氬氣壓力至0. IMpa，合金液在上腔真空，下腔增壓的雙重作用下補(bǔ)縮、凝固，凝固保壓lmin，關(guān)閉真空，關(guān)閉氬氣，充型結(jié)束，開型腔，取件，得到TiB體積百分含量為30%的TiB 增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料。本實(shí)施例采用上腔抽真空的充型方式，可以避免欠鑄和氧化夾雜等鑄造缺陷；采用磁懸浮熔煉技術(shù)，能夠保持TiB顆粒在熔體中分布均勻，結(jié)殼時(shí)凝固保壓lmin，可以使得接近鑄型表面的金屬液態(tài)凝固，而具有一定的強(qiáng)度，這樣在后續(xù)的高壓凝固階段，不會(huì)因?yàn)閴毫υ黾舆^快而損壞鑄型。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對本發(fā)明做任何限制，凡是根據(jù)發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一、稱取鈦箔、海綿鈦、鋁塊、釩塊和二硼化鈦粉，將二硼化鈦粉用鈦箔包裹，然后將稱取的海綿鈦、鋁塊、釩塊和鈦箔包裹的二硼化鈦粉混合后壓制成合金塊；所述合金塊中鈦、鋁和釩的質(zhì)量比為90 :6:4;步驟二、將步驟一中所述合金塊置于懸浮熔煉水冷銅坩堝中，抽真空至KT2Pa以下，并用氬氣清洗懸浮熔煉水冷銅坩堝2 3次，關(guān)閉中隔閥門，保持上腔真空狀態(tài)為-0. IMI^a -0. 04MPa，對下腔充氬氣至大氣壓，在氬氣保護(hù)條件下，在熔化功率為15KW 20KW的條件下將合金塊加熱熔化，并在磁懸浮力的作用下攪拌均勻，精煉得到合金液；步驟三、壓下升液管和型腔，打開中隔閥門，步驟二中所述合金液在反重力作用下充型，待型腔充滿后，保持結(jié)殼時(shí)間，然后增加下腔氬氣的壓力，合金液在上腔真空、下腔通氬氣增壓的雙重作用下補(bǔ)縮、凝固，得到TiB增強(qiáng)的Ti6A14V復(fù)合材料；所述TiB增強(qiáng)的 Ti6A14V復(fù)合材料中TiB的體積百分含量不大于30%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟一中所述壓制的壓力不大于50MPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟二中所述精煉時(shí)間為60s 120s。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟三中所述壓下升液管和型腔之前將熔化功率增加3KW 5KW并保持30s 60s，充型時(shí)保持功率不變。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟三中所述充型時(shí)上腔的真空度為-0. IMPa -0. 04MPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟三中所述充型時(shí)下腔氬氣的壓力為0. IMPa 0. 2MPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiB增強(qiáng)Ti6A14V復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟三中所述充型過程中從充型開始到充滿型腔的時(shí)間為^ 20s，充型后保持的結(jié)殼時(shí)間為 Is 10s，凝固保壓時(shí)間為Imin 5min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種TiB增強(qiáng)Ti6Al4V復(fù)合材料的制備方法，該方法為1.稱取鈦箔、海綿鈦、鋁塊、釩塊和二硼化鈦粉，壓制成合金塊；2.將合金塊置于懸浮熔煉水冷銅坩堝中，抽真空至10-2Pa以下，關(guān)閉中隔閥門，保持上腔真空狀態(tài)，在氬氣保護(hù)條件下將合金塊加熱熔化，精煉得到合金液；3.壓下升液管和型腔，打開中隔閥門，合金液在反重力作用下充型，型腔充滿后，保持結(jié)殼時(shí)間，然后增加下腔氬氣的壓力，合金液在上腔真空、下腔通氬氣增壓的雙重作用下補(bǔ)縮、凝固，得到TiB增強(qiáng)的Ti6Al4V復(fù)合材料。采用本發(fā)明方法制備的TiB顆粒增強(qiáng)Ti6Al4V復(fù)合材料鑄件機(jī)械性能良好，適合制備形狀復(fù)雜的精密零件。
文檔編號C22C1/02GK102409217SQ20111039672
公開日2012年4月11日 申請日期2011年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月4日
發(fā)明者操齊高, 賈志華, 鄭晶, 馬光 申請人:西北有色金屬研究院