本發(fā)明屬于鈦合金材料，尤其涉及一種原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
1、鈦合金因其低密度、高比強(qiáng)度、耐腐蝕性及生物相容性等特性，被用作航空航天、生物醫(yī)療等高端領(lǐng)域的核心結(jié)構(gòu)材料。目前，常見(jiàn)的鈦合金分為三大類(lèi)：α鈦合金(hcp)、β鈦合金(bcc)、α-β雙相鈦合金(hcp-bcc)。然而，傳統(tǒng)高強(qiáng)韌鈦合金依賴(lài)v、mo、nb等稀有金屬的固溶強(qiáng)化或復(fù)雜熱加工工藝后產(chǎn)生的沉淀強(qiáng)化，導(dǎo)致成本高昂、能耗增加及戰(zhàn)略資源浪費(fèi)等問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)不依賴(lài)稀有金屬合金化且能兼顧強(qiáng)度與塑性的素化鈦合金，成為實(shí)現(xiàn)綠色低成本制備的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
2、碳化鈦(tic)兼具金屬與陶瓷的優(yōu)異性能(如高硬度、高彈性模量、自潤(rùn)滑性及高溫穩(wěn)定性)，是增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的理想硬質(zhì)相。但傳統(tǒng)碳化還原法制備的tic粉末存在氣孔、裂紋及非平衡相等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料致密度低、脆性大，不利于工業(yè)應(yīng)用。現(xiàn)有技術(shù)中，非原位合成法通過(guò)機(jī)械混合將預(yù)制tic顆粒引入鈦基體，雖可降低燒結(jié)溫度，但面臨增強(qiáng)相分布不均、界面雜質(zhì)污染及工藝復(fù)雜等問(wèn)題，外加tic顆粒與基體的弱結(jié)合易引發(fā)應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料在服役過(guò)程中易發(fā)生界面剝離或早期失效；而原位合成法通過(guò)高能熱源觸發(fā)鈦與碳源反應(yīng)直接生成tic，雖能實(shí)現(xiàn)界面清潔與熱力學(xué)穩(wěn)定，卻因反應(yīng)過(guò)程動(dòng)態(tài)控制不足(缺乏成分設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)調(diào)控)，導(dǎo)致tic晶粒尺寸粗大、界面結(jié)合不穩(wěn)定，易產(chǎn)生界面處的應(yīng)力集中，進(jìn)而降低材料的綜合力學(xué)性能。此外，增材制造工藝制備tic增強(qiáng)鈦基合金也受到了廣泛關(guān)注，但缺乏對(duì)tic尺寸與形貌的調(diào)控，難以控制增強(qiáng)相與界面的結(jié)合性，導(dǎo)致材料易失效。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金及其制備方法。本發(fā)明提供的原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金，不依賴(lài)昂貴的mo、nb、ta、zr、w等稀有金屬固溶強(qiáng)化，而是在基體中原位合成大量且與基體具有共格關(guān)系的納米tic相，得到碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金。本發(fā)明僅使用微量的c元素，原位合成與基體具有共格界面的tic相，大幅提升了材料的綜合力學(xué)性能。同時(shí)，本發(fā)明有助于實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)韌鈦合金的素化設(shè)計(jì)，以及綠色低成本制備。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
3、一方面，本發(fā)明提供一種原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比包括：0≤n≤0.010％、0≤h≤0.015％、0≤o≤0.2％、c：0.10％～0.40％、余量為ti以及不可避免的雜質(zhì)。
4、作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金由金屬激光粉末床熔融工藝制備得到；所述金屬激光粉末床熔融工藝制備原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金的原料包括鈦粉和石墨粉。
5、作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述鈦粉的粒度為15～53μm。
6、作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述石墨粉的粒度為1～8μm。
7、又一方面，本發(fā)明提供上述原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金的制備方法，包括以下步驟：
8、將鈦粉和石墨粉混合后進(jìn)行金屬激光粉末床熔融打印，得到所述原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金。
9、作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述鈦粉的粒度范圍為15～53μm。
10、作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述石墨粉的粒度為1～8μm。
11、作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述石墨粉的質(zhì)量為制備原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金的原料總質(zhì)量的0.10％～0.40％。
12、作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述金屬激光粉末床熔融打印中，激光功率為160～200w；掃描速度為900～1100mm/s；道次間距為80～120μm。
13、在某些具體的實(shí)施方式中，所述金屬激光粉末床熔融打印的鋪粉厚度為30μm。
14、作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述金屬激光粉末床熔融打印的保護(hù)氣氛為高純氬氣。
15、在本發(fā)明的技術(shù)方案中，上述原料粉末通過(guò)金屬激光粉末床熔融打印技術(shù)能夠得到高致密度的鈦基合金成形件，石墨粉和部分鈦粉原位生成的tic顆粒與鈦基體為共格界面，其錯(cuò)配度≤1％。
16、本發(fā)明的技術(shù)效果如下：
17、(1)本發(fā)明無(wú)需昂貴的稀有金屬元素合金化，而是以低成本石墨粉末向純鈦中引入微量的間隙元素c(0.1wt.％～0.4wt.％)，利用金屬激光粉末床熔融打印技術(shù)原位合成納米tic顆粒，并通過(guò)工藝參數(shù)調(diào)控tic顆粒的尺寸與形貌，使tic顆粒與基體具有共格關(guān)系，有效強(qiáng)化鈦基合金，提高材料強(qiáng)度的同時(shí)保持優(yōu)異的塑性，實(shí)現(xiàn)鈦基合金力學(xué)性能的大幅提升，同時(shí)大幅降低了高強(qiáng)韌鈦合金的制備成本，減少了戰(zhàn)略資源的消耗。
18、(2)本發(fā)明通過(guò)在純鈦中引入間隙元素c，結(jié)合金屬激光粉末床熔融工藝的快速冷卻特點(diǎn)，得到了具有針狀α’+塊狀α+等軸狀tic相的鈦基合金。此外，利用掃描電鏡和透射電鏡觀察到在鈦基體中彌散分布著納米尺寸的tic第二相，起到了有效的彌散強(qiáng)化作用。同時(shí)，通過(guò)工藝調(diào)控獲得的原位合成的等軸狀納米tic相與鈦基體之間存在共格的界面關(guān)系(錯(cuò)配度≤1％)，在塑性變形時(shí)可以起到緩解應(yīng)力集中、避免裂紋萌生的作用，為鈦合金提供了良好的塑性。
19、(3)本發(fā)明采用金屬激光粉末床熔融工藝，減少了材料浪費(fèi)，降低了制備成本，還可制備復(fù)雜形狀構(gòu)件。
20、(4)本發(fā)明所得到的鈦基合金的力學(xué)性能優(yōu)異：室溫抗拉強(qiáng)度≥800mpa，室溫屈服強(qiáng)度≥700mpa，室溫延伸率≥15.0％。
1.一種原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金，其特征在于，所述原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金的化學(xué)成分按質(zhì)量百分比包括：0≤n≤0.010％、0≤h≤0.015％、0≤o≤0.2％、c：0.10％～0.40％、余量為ti以及不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金，其特征在于，所述原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金由金屬激光粉末床熔融工藝制備得到；所述金屬激光粉末床熔融工藝制備原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金的原料包括鈦粉和石墨粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金，其特征在于，所述鈦粉的粒度為15～53μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金，其特征在于，所述石墨粉的粒度為1～8μm。
5.權(quán)利要求1所述的原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述鈦粉的粒度范圍為15～53μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述石墨粉的粒度為1～8μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述石墨粉的質(zhì)量為制備原位復(fù)合碳化鈦增強(qiáng)鈦基合金的原料總質(zhì)量的0.10％～0.40％。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述金屬激光粉末床熔融打印中，激光功率為160～200w；掃描速度為900～1100mm/s；道次間距為80～120μm。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述金屬激光粉末床熔融打印的保護(hù)氣氛為高純氬氣。