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CN103710649A - 一种碳纤维增强钛合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维增强钛合金复合材料及其制备方法Download PDF

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本发明涉及一种碳纤维增强钛合金复合材料的制备方法，包含如下步骤：准备钛合金，碳纤维预处理，镀镍，沉积铬，将钛合金粉末均匀铺在模具内，然后在钛合金粉末层上排列剪好的镀层碳纤维，然后再铺设一层钛合金粉末，重复上述过程至模具填满，对粉体实施加压加热操作，在真空炉内进行烧结，冷却得到的烧结体即得到该碳纤维增强钛合金复合材料。该复合材料具有强度极高的技术效果。

Description

一种碳纤维增强钛合金复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于合金复合材料领域，特别是涉及一种碳纤维增强钛合金复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维增强钛合金复合材料由具有高比强度的钛合金和具有高比模量、抗拉伸的碳纤维复合而成，具有密度低、比强度高、抗拉伸及比模量高等优点。其力学性能可通过调整碳纤维在钛合金内的分布状态以及钛合金成分的控制进行一定范围内的调整，是一种高性能的轻质结构材料。
发明内容
本发明的目的之一在于提出一种碳纤维增强钛合金复合材料的制备方法；
本发明的目的之二在于提出一种碳纤维增强钛合金复合材料；
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种碳纤维增强钛合金复合材料的制备方法，包含如下步骤：
（1）准备钛合金，所述钛合金按照重量百分含量由如下成分组成：Nb：25~32%，Zr：6~8.1%，Sn：11~16.2%，O：0.01~0.18%，RE：1.8~2.6%，Al：3.2~4.2%，余量为Ti；
（2）碳纤维去胶、中和、活化、还原预处理；
（3）在碳纤维表面进行化学镀镍；
（4）清洗干燥后在步骤（3）得到的镀镍碳纤维表面化学沉积一层金属铬；
（5）将步骤（4）得到的镀层碳纤维剪成1~20mm的长度；
（6）将步骤（1）的钛合金制成粉末，将钛合金粉末均匀铺在模具内，厚度为1~5cm，然后在钛合金粉末层上排列步骤（5）剪好的镀层碳纤维，然后再铺设一层钛合金粉末，厚度为1~5mm，重复上述过程至模具填满；
（8）对粉体实施加压加热操作，温度为100~160℃，压力为560~800MPa，保压时间为10~180s；
（9）在真空炉内进行烧结，烧结温度为1000~1450℃，烧结保温时间为1~6h；
（10）冷却步骤（9）得到的烧结体即得到该碳纤维增强钛合金复合材料；
所述钛合金由如下步骤制成：
（a）配料：按照Nb：25~32%，Zr：6~8.1%，Sn：11~16.2%，O：0.01~0.18%，RE：1.8~2.6%，Al：3.2~4.2%，余量为Ti进行配料，其中Ti以海绵钛，Zr以海绵锆、Nb采用Ti-52Nb中间合金、Sn采用Ti-68Sn中间合金、RE采用混合稀土、Al采用Ti-Al中间合金，O为上述原料中残留元素；
（b）熔炼：将步骤（a）配好的料压制成电极，在真空自耗电弧炉中熔炼2次；
（c）均匀化退火：均匀化温度为980~1200℃，保持时间为10~18h，退火后进行扒皮去除氧化层；
（d）锻造：锻造加热温度为920~980℃，保温时间为68~86min，终锻温度为810~860℃；
（e）热轧：轧制不进行中间退火，轧制道次为8；
（f）冷轧：冷轧的总变形量为80%；
（g）固溶热处理：将冷轧板在箱式电阻炉中进行固溶热处理，固溶温度为835-860℃，保温时间为0.8-1.8h，水淬；
（h）时效热处理：分为如下四步：时效温度为300~320℃，保温时间为5~18min，水淬；在加热到400~420℃进行第二次时效处理，时效时间为1~1.8h，水淬；再加热到480~495℃进行第三次时效，时效时间为2~2.5h，水淬；再加热到520~550℃进行第四次时效，时效时间为5~8h，水淬；得到钛合金成品。
作为优选，所述碳纤维去胶处理采用空气灼烧法进行。
作为优选，所述碳纤维中和处理采用KOH或氨水进行中和。
作为优选，所述碳纤维活化处理采用PdCl2和AgCl为活化液。
作为优选，钛合金制备过程中，时效热处理分为如下四步：时效温度为310℃，保温时间为8min，水淬；再加热到420℃进行第二次时效处理，时效时间为1h，水淬；再加热到485℃进行第三次时效，时效时间为2h，水淬；再加热到535℃进行第四次时效，时效时间为5h，水淬。
作为优选，所述钛合金按照重量百分含量由如下成分组成：Nb：28%，Zr：6.8%，Sn：15.2%，O：0.15%，RE：2.1%，Al：3.8%，余量为Ti。
一种碳纤维增强钛合金复合材料，其特征在于，采用前述方法制成。
本发明的效果在于：
通过特定的特定具体的碳纤维和具体成分含量的钛合金配合，使得最终复合材料性能得到大幅提高；
通过具体时效热处理与具体固溶等热处理的配合，使得作为基体的钛合金具有高强度，高弹性模量，和好的伸长率和断裂韧性，最终导致成品性能高；
通过上述具体制备方法参数的限定与具体合金成分的配合，使得性能稳定性达到了90%以上。
具体实施方式
实施例1
一种碳纤维增强钛合金复合材料的制备方法，包含如下步骤：
（1）准备钛合金，所述钛合金按照重量百分含量由如下成分组成：Nb：28%，Zr：6.9%，Sn：15.2%，O：0.10%，RE：1.99%，Al：3.82%，余量为Ti；
（2）碳纤维去胶、中和、活化、还原预处理；
（3）在碳纤维表面进行化学镀镍；
（4）清洗干燥后在步骤（3）得到的镀镍碳纤维表面化学沉积一层金属铬；
（5）将步骤（4）得到的镀层碳纤维剪成18mm的长度；
（6）将步骤（1）的钛合金制成粉末，将钛合金粉末均匀铺在模具内，厚度为4cm，然后在钛合金粉末层上排列步骤（5）剪好的镀层碳纤维，然后再铺设一层钛合金粉末，厚度为4mm，重复上述过程至模具填满；
（8）对粉体实施加压加热操作，温度为150℃，压力为700MPa，保压时间为98s；
（9）在真空炉内进行烧结，烧结温度为1100℃，烧结保温时间为4h；
（10）冷却步骤（9）得到的烧结体即得到该碳纤维增强钛合金复合材料；
所述钛合金由如下步骤制成：
（a）配料：按照Nb：28%，Zr：6.9%，Sn：15.2%，O：0.10%，RE：1.99%，Al：3.82%，余量为Ti进行配料，其中Ti以海绵钛，Zr以海绵锆、Nb采用Ti-52Nb中间合金、Sn采用Ti-68Sn中间合金、RE采用混合稀土、Al采用Ti-Al中间合金，O为上述原料中残留元素；
（b）熔炼：将步骤（a）配好的料压制成电极，在真空自耗电弧炉中熔炼2次；
（c）均匀化退火：均匀化温度为990℃，保持时间为12h，退火后进行扒皮去除氧化层；
（d）锻造：锻造加热温度为960℃，保温时间为69min，终锻温度为820℃；
（e）热轧：轧制不进行中间退火，轧制道次为8；
（f）冷轧：冷轧的总变形量为80%；
（g）固溶热处理：将冷轧板在箱式电阻炉中进行固溶热处理，固溶温度为845℃，保温时间为0.9h，水淬；
（h）时效热处理：分为如下四步：时效温度为310℃，保温时间为12min，水淬；在加热到410℃进行第二次时效处理，时效时间为1h，水淬；再加热到480℃进行第三次时效，时效时间为2h，水淬；再加热到520℃进行第四次时效，时效时间为5h，水淬；得到钛合金成品。
实施例2：
一种碳纤维增强钛合金复合材料的制备方法，包含如下步骤：
（1）准备钛合金，所述钛合金按照重量百分含量由如下成分组成：Nb：28%，Zr：6.8%，Sn：15.2%，O：0.15%，RE：2.1%，Al：3.8%，余量为Ti；
所述钛合金由如下步骤制成：
（a）配料：按照Nb：28%，Zr：6.8%，Sn：15.2%，O：0.15%，RE：2.1%，Al：3.8%，余量为Ti进行配料，其中Ti以海绵钛，Zr以海绵锆、Nb采用Ti-52Nb中间合金、Sn采用Ti-68Sn中间合金、RE采用混合稀土、Al采用Ti-Al中间合金，O为上述原料中残留元素；
（b）熔炼：将步骤（a）配好的料压制成电极，在真空自耗电弧炉中熔炼2次；
（c）均匀化退火：均匀化温度为990℃，保持时间为12h，退火后进行扒皮去除氧化层；
（d）锻造：锻造加热温度为960℃，保温时间为69min，终锻温度为820℃；
（e）热轧：轧制不进行中间退火，轧制道次为8；
（f）冷轧：冷轧的总变形量为80%；
（g）固溶热处理：将冷轧板在箱式电阻炉中进行固溶热处理，固溶温度为845℃，保温时间为0.9h，水淬；
（h）时效热处理：分为如下四步：时效温度为310℃，保温时间为8min，水淬；再加热到420℃进行第二次时效处理，时效时间为1h，水淬；再加热到485℃进行第三次时效，时效时间为2h，水淬；再加热到535℃进行第四次时效，时效时间为5h，水淬，得到钛合金成品。
（2）碳纤维去胶、中和、活化、还原预处理；碳纤维去胶处理采用空气灼烧法进行；碳纤维中和处理采用氨水进行中和；碳纤维活化处理采用PdCl2和AgCl为活化液。
（3）在碳纤维表面进行化学镀镍；
（4）清洗干燥后在步骤（3）得到的镀镍碳纤维表面化学沉积一层金属铬；
（5）将步骤（4）得到的镀层碳纤维剪成18mm的长度；
（6）将步骤（1）的钛合金制成粉末，将钛合金粉末均匀铺在模具内，厚度为4cm，然后在钛合金粉末层上排列步骤（5）剪好的镀层碳纤维，然后再铺设一层钛合金粉末，厚度为4mm，重复上述过程至模具填满；
（8）对粉体实施加压加热操作，温度为150℃，压力为700MPa，保压时间为98s；
（9）在真空炉内进行烧结，烧结温度为1100℃，烧结保温时间为4h；
（10）冷却步骤（9）得到的烧结体即得到该碳纤维增强钛合金复合材料。

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