專利名稱：TiB增強Ti6Al4V復合材料的制備方法
技術領域：
本發明屬于復合材料制備技術領域，具體涉及一種TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法。
背景技術：
鈦合金材料以其輕質、比強度高、中低溫性能好、耐腐蝕等優良的性能而成為倍受人們關注的材料，現已被廣泛應用于航空、航天領域和其他民用領域，如汽車、體育器材等。 Ti6A14V以其優異的機械性能成為眾多鈦合金牌號中應用最為廣泛的一種鈦合金材料，基于Ti6A14V的復合材料也成為倍受人們關注的焦點。TiB是最常見的一種顆粒增強劑，基于這種顆粒增強的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、較高的強度；另外，液態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通常需要附加氣體保護。顆粒增強金屬基復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，攪拌復合等。通過攪拌復合后可以直接進行復雜鑄件的成形，因此這種方法具有很強的應用潛力。從原理上說，任何鑄造方法都能用于復合材料的鑄造，但是由于復合材料的流動性能不及基體合金，因此復合材料的成形多借助于壓力或離心力。顆粒增強復合材料是多相材料，因此材料的充型能力不僅取決于基體合金的性質和工藝參數，也取決于顆粒在熔體中的濃度和分布狀態?？偟内厔菔?，隨著顆粒分布的增加，材料的流動能力降低。由于復合材料熔體和基體合金粘度相差很大，故而表現出不同的流動特征。TiB顆粒在Ti6A14V 合金中的最大體積分數一般不超過30%。采用常規方法很難達到高的復合比、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雜，難以制備形狀復雜的零件。至今為止，還沒有采用磁懸浮熔煉結合反重力真空吸鑄成形制備TiB顆粒增強Ti6A14V的資料報導。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供一種TiB增強 Ti6A14V復合材料的制備方法。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，可以避免顆粒分布不均勻以及坩堝材質對熔體造成的污染，制備速度快、效率高。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是一種TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法，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，關閉中隔閥門，保持上腔真空狀態為-0. IMI^a -0. 04MPa，對下腔充氬氣至大氣壓，在氬氣保護條件下，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，保持結殼時間，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縮、凝固，得到TiB增強的Ti6A14V復合材料；所述TiB增強的 Ti6A14V復合材料中TiB的體積百分含量不大于30%。上述的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法，步驟一中所述壓制的壓力不大于 50MPa。上述的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法，步驟二中所述精煉時間為60s 120s。上述的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法，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，充型時保持功率不變。上述的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法，步驟三中所述充型時上腔的真空度為-0. IMPa -0. 04MPa。上述的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法，步驟三中所述充型時下腔氬氣的壓力為 0. IMPa 0. 2MPa。上述的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法，步驟三中所述充型過程中從充型開始到充滿型腔的時間為^ 20s，充型后保持的結殼時間為Is 10s，凝固保壓時間為 Imin 5min。本發明與現有技術相比具有以下優點1、本發明采用磁懸浮熔煉技術，能夠保持TiB顆粒在熔體中分布均勻，結殼時凝固保壓Imin 5min，可以使得接近鑄型表面的金屬液態凝固，而具有一定的強度，這樣在后續的高壓凝固階段，不會因為壓力增加過快而損壞鑄型。2、本發明首次提出了 TiB顆粒增強Ti6A14V復合材料的磁懸浮熔煉結合反重力真空吸鑄成形制備方法，首次給出了復合材料的真空吸鑄的工藝參數，首次將磁懸浮熔煉技術引入顆粒增強復合材料成形工藝，解決了目前該復合材料所存在的成型問題。3、本發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，可以避免顆粒分布不均勻以及坩堝材質對熔體造成的污染，制備速度快、效率高。4、采用本發明的方法制備的TiB顆粒增強Ti6A14V復合材料鑄件機械性能良好， 適合制備形狀復雜的精密零件。下面通過實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
具體實施例方式實施例1
TiB體積百分含量為5%的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備步驟一、按照Ti6A14V復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，關閉中隔閥門，保持上腔真空狀態為-0. 04MPa，對下腔充氬氣至大氣壓，在氬氣保護條件下，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，充型時上腔的真空度為-0. 04MPa，從充型開始到充滿型腔的時間為15s，待型腔充滿后，保持結殼時間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縮、凝固，凝固保壓5min，關閉真空，關閉氬氣，充型結束，開型腔，取件，得到TiB體積百分含量為5%的 TiB增強Ti6A14V復合材料。本實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，能夠保持TiB顆粒在熔體中分布均勻，結殼時凝固保壓5min，可以使得接近鑄型表面的金屬液態凝固，而具有一定的強度，這樣在后續的高壓凝固階段，不會因為壓力增加過快而損壞鑄型。實施例2TiB體積百分含量為15%的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備步驟一、按照Ti6A14V復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，關閉中隔閥門，保持上腔真空狀態為-0. 07MPa，對下腔充氬氣至大氣壓，在氬氣保護條件下，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，充型時上腔的真空度為-0. 07MPa，從充型開始到充滿型腔的時間為5s，待型腔充滿后，保持結殼時間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縮、凝固，凝固保壓:3min，關閉真空，關閉氬氣，充型結束，開型腔，取件，得到TiB體積百分含量為15%的TiB 增強Ti6A14V復合材料。本實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，能夠保持TiB顆粒在熔體中分布均勻，結殼時凝固保壓3min，可以使得接近鑄型表面的金屬液態凝固，而具有一定的強度，這樣在后續的高壓凝固階段，不會因為壓力增加過快而損壞鑄型。
實施例3TiB體積百分含量為30%的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備步驟一、按照Ti6A14V復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，關閉中隔閥門，保持上腔真空狀態為-0. IMPa, 對下腔充氬氣至大氣壓，在氬氣保護條件下，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，充型時上腔的真空度為-0. IMPa，從充型開始到充滿型腔的時間為20s，待型腔充滿后，保持結殼時間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縮、凝固，凝固保壓lmin，關閉真空，關閉氬氣，充型結束，開型腔，取件，得到TiB體積百分含量為30%的TiB 增強Ti6A14V復合材料。本實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，能夠保持TiB顆粒在熔體中分布均勻，結殼時凝固保壓lmin，可以使得接近鑄型表面的金屬液態凝固，而具有一定的強度，這樣在后續的高壓凝固階段，不會因為壓力增加過快而損壞鑄型。以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明做任何限制，凡是根據發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。
權利要求
1.一種TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法，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，關閉中隔閥門，保持上腔真空狀態為-0. IMI^a -0. 04MPa，對下腔充氬氣至大氣壓，在氬氣保護條件下，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，保持結殼時間，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縮、凝固，得到TiB增強的Ti6A14V復合材料；所述TiB增強的 Ti6A14V復合材料中TiB的體積百分含量不大于30%。
2.根據權利要求1所述的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法，其特征在于，步驟一中所述壓制的壓力不大于50MPa。
3.根據權利要求1所述的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法，其特征在于，步驟二中所述精煉時間為60s 120s。
4.根據權利要求1所述的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法，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，充型時保持功率不變。
5.根據權利要求1所述的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法，其特征在于，步驟三中所述充型時上腔的真空度為-0. IMPa -0. 04MPa。
6.根據權利要求1所述的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法，其特征在于，步驟三中所述充型時下腔氬氣的壓力為0. IMPa 0. 2MPa。
7.根據權利要求1所述的TiB增強Ti6A14V復合材料的制備方法，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間為^ 20s，充型后保持的結殼時間為 Is 10s，凝固保壓時間為Imin 5min。
全文摘要
本發明公開了一種TiB增強Ti6Al4V復合材料的制備方法，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，關閉中隔閥門，保持上腔真空狀態，在氬氣保護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，保持結殼時間，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縮、凝固，得到TiB增強的Ti6Al4V復合材料。采用本發明方法制備的TiB顆粒增強Ti6Al4V復合材料鑄件機械性能良好，適合制備形狀復雜的精密零件。
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 優先權日2011年12月4日
發明者操齊高, 賈志華, 鄭晶, 馬光 申請人:西北有色金屬研究院