一種耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材及其制備方法技術

一種耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材及其制備方法。它涉及一種鈦基棒材及其制備方法。它解決了鈦或鈦合金棒材表面耐磨處理效果差的問題。耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材由外面耐磨的殼層和內部高韌性的芯部構成；殼層為含有增強相的鈦基復合材料；芯部為鈦或鈦合金。制備方法：一、制作薄壁內筒；二、將薄壁內筒放入模具；三、倒入粉末、夯實，抽出薄壁內筒；四、抽真空進行熱壓燒結。本發(fā)明專利技術制備出的耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材既保持了鈦合金高韌性的特點，又具備鈦基復合材料高耐磨性的優(yōu)點。

【技術實現步驟摘要】
一種耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材及其制備方法
本專利技術涉及一種鈦基棒材及其制備方法。
技術介紹
鈦合金具有輕質、耐腐蝕、比強度高等優(yōu)點，但其耐磨性較差。為了提高鈦合金的耐磨性并擴大其應用范圍及提高使用壽命，嘗試多種方法。如在鈦合金表面滲氮、滲氧等，然而由于滲層較薄，耐磨效果差，應用范圍非常有限。另一種提高耐磨性的方法是制備復合材料，通過粉末冶金法或者熔鑄法，在鈦合金基體中引入陶瓷相，可以顯著提高鈦合金基體的耐磨性，但與此同時材料的韌性大幅下降。對于平面板材還可以采用激光熔覆的方法，在板材表面制備一層鈦基復合材料以提高其耐磨性，該方法既可以提高其耐磨性又能夠保持高韌性，但僅限于對平面板材進行處理；如果采用該方法對表面具有弧度的鈦或鈦合金材料特別是鈦或鈦合金棒材進行激光熔覆，其耐磨鈦基復合層厚度不均勻，效果不理想。
技術實現思路
本專利技術是為了解決鈦或鈦合金棒材表面耐磨處理效果差的問題，而提供的一種耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材及其制備方法。本專利技術耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材由外面耐磨的殼層和內部高韌性的芯部構成；殼層為含有增強相的鈦基復合材料；芯部為鈦或鈦合金。上述耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材按以下步驟制備：一、根據棒材芯部的形狀制作薄壁內筒；二、將薄壁內筒豎直放入熱壓燒結模具中央；三、取殼層基體材料粉末和增強相原料粉末進行球磨混粉，然后倒入模具與薄壁內筒間的空隙，再將制成芯部的鈦或鈦合金粉末倒入薄壁內筒，之后將殼層和芯部粉末夯實，抽出薄壁內筒；四、抽真空進行熱壓燒結，即得到耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材。本專利技術制備出的耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材既保持了鈦合金高韌性的特點，又具備鈦基復合材料高耐磨性的優(yōu)點；其外層硬度可達到HRC45-65。本專利技術的制備方法簡單、易操作。本專利技術采用了特殊的裝粉方式，將殼層材料和芯部材料分開分別進行裝填，然后一同進行真空熱壓燒結，從而獲得具備不同性能的殼芯結構材料。本專利技術方法可以根據需要制備不同厚度的殼層，并通過調節(jié)增強相的含量控制殼層的耐磨性能；而且芯部的橫截面可以為任意形狀，以滿足不同的需要。附圖說明圖1是制備本專利技術耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材的裝粉示意圖，其中，1是薄壁內筒，2是模具，3是下壓頭，箭頭4是芯部材料裝填位置，箭頭5是殼層材料裝填位置。圖2是實施例1制備的耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材的橫截面宏觀照片及界面放大圖。具體實施方式本專利技術技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。具體實施方式一：本實施方式耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材由外面耐磨的殼層和內部高韌性的芯部構成；殼層為含有增強相的鈦基復合材料；芯部為鈦或鈦合金。具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一的不同點是：殼層的厚度1～10mm。其它與實施方式一相同。具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二的不同點是：芯部的直徑為5～400mm。其它與實施方式一或二相同。具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一的不同點是：殼層中的增強相原料為TiB2、B4C、LaB6、B、C或SiC。其它與實施方式一至三之一相同。具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一的不同點是：殼層中的基體材料為TA、TB或TC系列鈦合金。其它與實施方式一至四之一相同。具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一的不同點是：殼層中的增強相的含量為3vol.％～25vol.％。其它與實施方式一至五之一相同。具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一的不同點是：殼層中的增強相的含量為8vol.％～15vol.％。其它與實施方式一至六之一相同。具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式一至七之一的不同點是：構成芯部的鈦合金為TA、TB或TC系列鈦合金。其它與實施方式一至七之一相同。具體實施方式九：本實施方式按以下步驟制備耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材：一、根據棒材芯部的形狀制作薄壁內筒；二、將薄壁內筒豎直放入熱壓燒結模具中央；三、取殼層基體材料粉末和增強相原料粉末進行球磨混粉，然后倒入模具與薄壁內筒間的空隙，再將制成芯部的鈦或鈦合金粉末倒入薄壁內筒，之后將殼層和芯部粉末夯實，抽出薄壁內筒；四、抽真空進行熱壓燒結，即得到耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材。本實施方式中薄壁內筒的筒壁厚度小于1mm。本實施方式可根據模具和薄壁內筒制備出不同橫截面形狀的殼芯結構鈦基棒材。本實施方式耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材裝粉如圖1所示。具體實施方式十：本實施方式與具體實施方式九的不同點是：步驟三中球磨轉速為120～200r/min，球料比為3︰1，球磨時間為4～8h。其它步驟及參數與實施方式九相同。具體實施方式十一：本實施方式與具體實施方式九或十的不同點是：步驟四中熱壓燒結溫度為1000～1500℃，熱壓燒結壓力為10～100MPa，熱壓燒結時間為0.5～5h。其它步驟及參數與實施方式九或十相同。具體實施方式十二：本實施方式與具體實施方式九至十一之一的不同點是：步驟三中增強相原料為TiB2、B4C、LaB6、B、C或SiC；基體材料為TA、TB或TC系列鈦合金；芯部鈦合金為TA、TB或TC系列鈦合金。其它步驟及參數與實施方式九至十一之一相同。具體實施方式十三：本實施方式與具體實施方式九至十二之一的不同點是：驟三殼層中增強相與基體材料的體積比為3︰97～25︰75。其它步驟及參數與實施方式九至十二之一相同。實施例1按以下步驟制備耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材：一、制作圓形薄壁內筒；二、將薄壁內筒豎直放入熱壓燒結模具中央；三、取殼層基體材料TC4鈦合金粉和增強相原料TiB2陶瓷粉進行球磨混粉，球磨轉速為200r/min，球料比為3︰1，球磨時間為5h；然后倒入模具與薄壁內筒間的空隙，再將制成芯部的TC4鈦合金粉末倒入薄壁內筒，之后將殼層和芯部粉末夯實，抽出薄壁內筒；四、抽真空進行熱壓燒結，熱壓燒結溫度為1200℃，熱壓燒結壓力為25MPa，熱壓燒結時間為1h，即得到耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材。其中，增強相原料TiB2陶瓷粉的質量占殼層材料總質量的5％。本實施例制備出的耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材的殼層中增強相TiBw在殼層中占8.5vol.％。本實施例制備的耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材，其殼層厚度為10mm，芯部直徑為20mm。對本實施例制備的耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材不同部位進行硬度測試表明，殼層(8.5vol.％TiBw/TC4)硬度達到HRC50，芯部(TC4鈦合金)硬度為HRC32。室溫摩擦磨損試驗測試結果顯示，TC4鈦合金的摩擦系數為0.5，而本實施例制備的耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材的摩擦系數僅為0.3。室溫沖擊韌性測試結果顯示，TC4鈦合金的沖擊韌性為500kJ/m2，8.5vol.％TiBw/TC4復合材料的沖擊韌性僅為280kJ/m2，本實施例制備的耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材的沖擊韌性達到430kJ/m2。實驗證實本專利技術所制備的耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材不僅大大提高了鈦材的耐磨性能，而且保證了其較高的韌性，大大增加了其使用壽命。本實施例制備的耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材的橫截面宏觀照片及界面放大圖如圖2所示。如圖2中所示，本實施例制備的耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材致密度高，無孔洞，且界面結合良好，保證了優(yōu)異的綜本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材，其特征在于耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材由外面耐磨的殼層和內部高韌性的芯部構成；殼層為含有增強相的鈦基復合材料；芯部為鈦或鈦合金。

【技術特征摘要】
1.制備耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材的方法，其特征在于按以下步驟制備耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材：一、根據棒材芯部的形狀制作薄壁內筒；二、將薄壁內筒豎直放入熱壓燒結模具中央；三、取殼層基體材料粉末和增強相原料粉末進行球磨混粉，然后倒入模具與薄壁內筒間的空隙，再將制成芯部的鈦或鈦合金粉末倒入薄壁內筒，之后將殼層和芯部粉末夯實，抽出薄壁內筒；四、抽真空進行熱壓燒結，即得到耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材。2.根據權利要求1所述的耐磨高韌的殼芯結構鈦基棒材的制備方法，其特征在于步驟三中球磨轉速為120～200r/min，球料比為3︰1，球磨時間...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：黃陸軍，王博，耿林，戎旭東，崔喜平，劉寶璽，
申請(專利權)人：哈爾濱工業(yè)大學，
類型：發(fā)明
國別省市：黑龍江;23