一種原位自生顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟：將鈦基原料裝入水冷石墨坩堝，真空等離子熔煉爐內(nèi)真空抽到不超過10Pa，起弧熔煉，進(jìn)入精煉期，將用以原位反應(yīng)生成增強(qiáng)相的石墨粉從送粉器加入真空等離子熔煉爐，同時電磁攪拌，停弧，澆注。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：有效地避免了對合金熔體的污染，顯著提高了高熔點(diǎn)組元的合金化程度，降低了鑄錠中的高熔點(diǎn)組元聚集偏析，保證了合金化的均勻性，同時合理地控制合金中的氧含量。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種鈦基復(fù)合材料的制備方法。技術(shù)背景鈦基復(fù)合材料(TMCQ具有較高的室溫比強(qiáng)度和比彈性模量，優(yōu)良的抗疲勞性能和抗高溫蠕變性能以及優(yōu)異的耐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)葉片、機(jī)架、起落架梁、 火箭發(fā)動機(jī)箱等構(gòu)件上，但高昂的原料成本和加工成本阻礙了其工業(yè)實用化進(jìn)程。鈦基復(fù)合材料(TMCS)又可分為連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料和顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料由于存在制備成本高，工藝復(fù)雜，成形困難，所得的制品存在著顯著的各向異性，纖維分布不均等缺陷，使得其發(fā)展及應(yīng)用都受到了限制。與之相比，顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料具有各向同性的性質(zhì)，并且制備成本較低，制造方法簡單，易于制造形狀復(fù)雜的零件，因此具有更大的發(fā)展前景，并逐漸受到人們的廣泛關(guān)注。同時，顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料密度低，具有比鋁、鎂基復(fù)合材料更好的高溫性能，它的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、彈性模量和磨損特性與同種Ti-6A1-4V鍛造合金(退火狀態(tài))相比均有大幅度提高，可使結(jié)構(gòu)零件進(jìn)一步輕量化，而磨損性能的提高可以在制備過程中去掉造價比較昂貴的表面處理工序，這對降低材料制備成本有著重要的意義，同時這些優(yōu)點(diǎn)使得其在軍事和民用方面均具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于鈦在高溫下反應(yīng)活性很高，直接向熔體中加入增強(qiáng)相將導(dǎo)致基體與增強(qiáng)相激烈反應(yīng)，界面污染嚴(yán)重，材料強(qiáng)度降低，同時由于存在基體與增強(qiáng)相潤濕性等問題， 使得基體與增強(qiáng)相的結(jié)合強(qiáng)度較低，同樣導(dǎo)致材料性能下降。顆粒增強(qiáng)體在基體材料中的生長方式包括外加法和原位合成法，外加法就是直接向熔體中加入增強(qiáng)相，由于鈦在高溫下反應(yīng)活性很高，這種方法將導(dǎo)致基體與增強(qiáng)相激烈反應(yīng)，界面污染嚴(yán)重，材料強(qiáng)度降低，同時由于存在基體與增強(qiáng)相潤濕性等問題，使得基體與增強(qiáng)相的結(jié)合強(qiáng)度較低，同樣導(dǎo)致材料性能下降。原位合成法則可以很好的避免上述問題。原位自生顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，各向同性、化學(xué)穩(wěn)定性好、易于成型、成本低廉， 可以避免增強(qiáng)相與基體之間的界面潤濕性問題。目前，主要有粉末冶金、熔鑄法、XD 技術(shù)、燃燒合成法、燃燒合成——熔鑄法、接觸反應(yīng)法、機(jī)械合金化法、激光熔敷法等，在上述制備方法中有些還不成熟，有些工序繁瑣、制備成本較高，有些易出現(xiàn)組織、成分偏析和晶粒粗大等問題，有些不易控制、熔煉環(huán)境較差。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是針對上述的技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種合金化均勻性佳的。本專利技術(shù)所要解決的又一個技術(shù)問題是提供一種能控制合金中氧含量的。本專利技術(shù)所要解決的又一個技術(shù)問題是提供一種工藝簡單，制備成本較低的。本專利技術(shù)解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種，其特征在于包括如下步驟將鈦基原料裝入真空等離子熔煉爐內(nèi)的水冷石墨坩堝，真空等離子熔煉爐內(nèi)真空抽到不超過10Pa，向真空等離子熔煉爐充入混合氣體到0. Sbar 1. lbar，流量為IOL/ min 15L/min，起弧熔煉，進(jìn)入精煉期，當(dāng)超過50%熔池面積形成時，將用以原位反應(yīng)生成增強(qiáng)相的石墨粉從送粉器加入真空等離子熔煉爐，同時電磁攪拌:3min 5min，停弧，澆注， 澆注溫度為1250°C 1450°C，前述的混合氣體中包括氫氣和氬氣，其中氫氣體積占總混合氣體體積的8% 25%。進(jìn)一步，所述的送粉器串接于真空等離子熔煉爐的等離子氣體進(jìn)氣口。作為優(yōu)選，起弧熔煉時，等離子弧的電流400A 800A，電壓42V MV。作為優(yōu)選，所述的石墨粉平均粒徑為2 μ m 20 μ m。作為優(yōu)選，所述的鈦基原料為指海綿鈦或鈦棒。進(jìn)一步，所述的水冷石墨坩堝包括坩堝本體及設(shè)于坩堝本體的水冷套。進(jìn)一步，所述的電磁攪拌通過設(shè)于坩堝本體底部的多個電磁攪拌線圈實現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于針對低密度多組元難混熔體系的鈦基復(fù)合材料，采用真空等離子電弧作為熱源，利用水冷石墨坩堝和電磁攪拌，有效地避免了對合金熔體的污染，顯著提高了高熔點(diǎn)組元的合金化程度，降低了鑄錠中的高熔點(diǎn)組元聚集偏析， 保證了合金化的均勻性，同時采用含氫氣和氬氣為等離子氣體源，提高了爐內(nèi)的還原氣氛， 合理地控制合金中的氧含量。附圖說明圖1為真空等離子熔煉爐結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實施例3中所得的鈦及復(fù)合材料金相組織顯微照片。具體實施方式以下結(jié)合附圖實施例對本專利技術(shù)作進(jìn)一步詳細(xì)描述。實施例一將原料海綿鈦裝入水冷石墨坩堝，爐體抽真空到10Pa，停止真空泵，向爐體充入氫氣0 )和氬氣(Ar)的混合氣體(其中H2體積含量8% )到1. Obar，流量為 10L/min,起弧熔煉，起弧階段等離子弧電流400A 470A，電壓42V 46V，進(jìn)入精煉期，當(dāng)大范圍熔池(指超過50%熔池面積)形成時，將平均粒徑20 μ m的用以原位反應(yīng)生成增強(qiáng)相的的石墨粉從送粉器加入，等離子弧電流600A 650A，電壓50V 52V，同時電磁攪拌 3min，停弧，澆注，澆注溫度為1350°C。獲得組織均勻的復(fù)合材料。如圖1所示，真空等離子熔煉爐包括爐體1、位于爐體1內(nèi)的水冷石墨坩堝、電離子槍電極3及送粉器2，爐體1具有等離子氣體進(jìn)氣口 11，電離子槍電極3位于該離子氣體進(jìn)氣口 11內(nèi)，送粉器2串聯(lián)于進(jìn)氣管路上，水冷石墨坩堝包括坩堝本體4及位于坩堝本體 4外壁的水冷套5，電磁攪拌通過設(shè)于坩堝本體4底部的多個電磁攪拌線圈6實現(xiàn)。實施例二 將原料鈦棒裝入水冷石墨坩堝，爐體抽真空到lPa，停止真空泵，向爐體充入氫氣0 )和氬氣(Ar)的混合氣體(其中H2體積含量25% )到1. lbar，流量為15L/ min，起弧熔煉，起弧階段等離子弧電流550A 650A，電壓44V 48V，進(jìn)入精煉期，當(dāng)大范圍熔池形成時，將平均粒徑10 μ m的用以原位反應(yīng)生成增強(qiáng)相的的石墨粉從送粉器加入， 等離子弧電流700A 800A，電壓50V MV，同時電磁攪拌5min，停弧，澆注，澆注溫度為 1350°C。獲得組織均勻的復(fù)合材料。實施例三將原料海綿鈦裝入水冷石墨坩堝，爐體抽真空到0. lPa，停止真空泵， 向爐體充入氫氣(H2)和氬氣(Ar)的混合氣體(其中H2體積含量20%)到O.Sbar，流量為 12L/min，起弧熔煉，起弧階段等離子弧電流450A 550A，電壓44V 48V，進(jìn)入精煉期，當(dāng)大范圍熔池形成時，將平均粒徑2 μ m的用以原位反應(yīng)生成增強(qiáng)相的的石墨粉從送粉器加入，等離子弧電流650A 750A，電壓50V 52V，同時電磁攪拌3min，停弧，澆注，澆注溫度為1350°C。獲得組織均勻的復(fù)合材料。圖2所示所得的鈦基復(fù)合材料金相組織顯微照片。下表為該鈦基復(fù)合材料和基體室溫力學(xué)性能參數(shù)對照試驗材料材料狀態(tài)抗拉強(qiáng)度Rm/MPa斷后伸長率A/%Ti鑄造態(tài)4748.337%wtTiC/Ti真空電弧熔煉5731.91.55wt%TiC/Ti等離子熔煉6551.7 從上表中數(shù)據(jù)可以看出，真空電弧熔煉(VAR)技術(shù)制備的TiC/Ti復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到鑄鈦的120%以上，而本專利技術(shù)采用等離子熔煉(PM)技術(shù)制備的TiC/Ti復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度則可達(dá)到鑄鈦的138%以上，等離子熔煉制備的TiC/Ti復(fù)合材料性能較真空電弧熔煉提高幅度達(dá)到10%以上。同時化學(xué)分析顯示，此時復(fù)合材料中增強(qiáng)體含量較低，僅有1. 55wt%，而強(qiáng)度甚至超過增強(qiáng)體含量37wt%的電弧熔煉復(fù)合材料。這表明等離子熔煉技術(shù)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙文天，梁棟，葛文艷，李德林，易更，
申請(專利權(quán))人：中國兵器工業(yè)第五二研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
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