本發(fā)明屬于鈦合金材料領域，尤其涉及一種耐磨鈦基復合材料。

背景技術：

鈦合金因具有很好的耐蝕性、較高的強度、較好的高低溫性能等特點，而被廣泛應用在航空航天領域。隨著鈦合金的發(fā)展，鈦合金在船舶行業(yè)、民品行業(yè)和汽車行業(yè)等，也得到了廣泛的推廣和應用。鈦合金與鋼鐵材料相比，存在耐磨性低、難于切削加工等特點，阻礙了鈦合金應用范圍的擴大。近年來，隨著鈦合金應用領域的不斷拓寬，以及在軌道交通行業(yè)對鈦合金的廣泛推廣過程中，各行業(yè)對鈦合金的耐磨性要求越來越高，常規(guī)的鈦合金已經(jīng)不能滿足對材料的要求，尤其是要在軌道交通行業(yè)推廣鈦合金的應用，就必須增加其耐磨性。

目前，通常采用表面處理方法來提高鈦合金的耐磨性，但是表面處理方法例如滲氮處理，只是在鈦合金表面很薄的一層（約小于1mm左右）提高了耐磨性，并沒有改變鈦合金基體的耐磨性；而且由于表面耐磨層很薄，其使用壽命和使用環(huán)境也有所限制。因此，提高鈦合金材料組織自身的耐磨性，對于鈦合金的推廣應用十分有必要。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供一種耐磨鈦基復合材料，該材料在鈦合金基體上，添加B₄C粉和碳粉，利用其與基體發(fā)生反應，生成含有TiB與TiC增強相的鈦基復合材料，使得鈦基復合材料耐磨性提高，拓寬了鈦合金的使用范圍及其應用技術。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的耐磨鈦基復合材料，其原料按重量分數(shù)配比包括如下成分：Al 為5-7%、Sn為2.5-3.5%、Zr為4-6%、Mo為0.4-0.6%、Si為0.3-0.7%，W為0.1-0.4%，添加0.5-5%B₄C粉和0.5-10%C粉，余量為Ti。

所述的B₄C粉和C粉與Ti反應，生成2.2%-2.7%的重量分數(shù)的強化相TiB，及2-6%的重量分數(shù)的強化相TiC；所述的重量分數(shù)相對于耐磨鈦基復合材料原料的總重量。

優(yōu)選的，所述的耐磨鈦基復合材料，其原料還可以添加0.01-0.2%的Pt和0.01-0.1%的La。

優(yōu)選的，所述的耐磨鈦基復合材料，其原料還可以添加0.01-0.05%的Ta和0.01-0.1%的Ce。

所述的原材料選自海綿鈦（99.7wt.%）、高純鋁（99.99 wt.%）、海綿鋯（≥99.4wt.%）、Ti-Sn中間合金（Sn 80 wt.%）、Mo-Al中間合金（Mo 60 wt.%）、Al-Si中間合金（Si 25 wt.%）、B₄C粉（≥99 wt.%）、石墨粉（99.9 wt.%）、W粉（99.9wt.%）、鈰粉（≥99 wt.%）、鈀粉（≥99 wt.%）、鉈粉（≥99 wt.%）、鑭粉（≥99 wt.%）。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的耐磨鈦基復合材料的制備方法，具體包括以下步驟。

步驟1、將各原料按重量分數(shù)進行混合，采用真空感應熔煉，熔煉過程中熔煉室真空度始終保持在10^-1Pa以下；待各原料全部熔化后，得到混合熔體，使熔體在電磁攪拌作用下，保溫10分鐘；然后升高熔體溫度至澆注溫度2000±20℃，再保溫5分鐘；將熔體澆注到金屬鑄型中，自然冷卻后，得到鈦基復合材料鑄錠。

步驟2、鑄錠均勻化退火處理：鈦基復合材料鑄錠加熱到650℃，保溫8小時，然后隨爐冷卻到室溫，取出。

步驟3、變形加工鍛造處理：采用機加工方法將耐磨鈦基復合材料鑄錠加工成無缺陷的圓柱體；然后進行鍛造，始鍛溫度為1150℃±10℃，終鍛溫度為950-1000℃，為了減少鍛造過程中樣件表面熱量損失，上下鍛模需要預熱至600℃，工作氣氛為大氣，變形速率控制在0.1/s左右，總變形加工率大于80%，鍛造處理后，空冷至室溫。

本發(fā)明的有益效果。

本發(fā)明通過大量的實驗驗證，對各元素進行反復的配比研究并優(yōu)化，嚴格控制各元素的含量，使本發(fā)明的鈦基復合材料耐磨性達到最優(yōu)狀態(tài)，具有現(xiàn)有鈦合金復合材料所不能及的優(yōu)勢；在材料配比的研究過程中，研究發(fā)現(xiàn)如果主元素含量配比發(fā)生變化，其性能尤其是耐磨性會受到嚴重的影響，達不到軌道交通行業(yè)的要求。其中，Al的含量為5-7%，鋁主要起固溶強化作用，每添加1%的Al，室溫抗拉強度增強約50MPa，但是，如果Al的含量超過7%，接近其極限溶解度，組織中會出現(xiàn)有序相，影響鈦合金的塑性和韌性；Sn和Zr（Sn含量為2.5-3.5%，Zr含量為4-6%）是中性元素，超過一定范圍后，會形成有序相，會降低鈦合金的塑性和熱穩(wěn)定性；并且，Sn和Zr還能夠起補充強化作用，進一步提高復合材料的耐熱性，使合金具有良好的壓力加工性和焊接性能；Mo是β穩(wěn)定元素，體系中含0.4-0.6%Mo的鈦合金不發(fā)生共析反應，在高溫下組織穩(wěn)定性好，還能夠有效的改善合金的耐蝕性，尤其是提高合金在氯化物溶液中抗縫隙腐蝕能力，使其在沿海環(huán)境中也可以得到很好的應用。

本發(fā)明的耐磨鈦基復合材料，基體屬于近α型鈦合金，在高溫（600℃）環(huán)境下可以使用，且具有比其他合金優(yōu)異的蠕變性能，Si是可改善合金的耐熱性能，硅與鈦的原子尺寸差別較大，在固溶體中容易在位錯處偏聚，阻止位錯運動，提高鈦合金的耐熱性、增強鈦合金的硬度；W溶解在鈦中，可增強材料的塑性和韌性，提高材料的耐熱性能，使得材料的使用溫度升高，在復合材料摩擦生熱時，仍可以保持良好的耐磨性能。但含量過多時，使殘余相增多，超過其在鈦中的溶解度，反而降低材料耐熱性能；鈀和鉈的加入，可以提高材料的強度、改善材料的硬度，其與合金中的錫作用，能夠抵抗酸類的腐蝕，使其在高溫時的耐腐蝕性能提高和擴大鈍化范圍，若含量過高，不易熔解，因此本發(fā)明嚴格控制其含量；鑭和鈰的添加形成細小穩(wěn)定的顆粒，產(chǎn)生彌散強化，降低了基體中的氧濃度，并促使合金中的錫轉(zhuǎn)移到稀土氧化物中，這有利于抑止脆性相析出。此外，還能顯著細化合金的鑄態(tài)組織，提高合金的耐熱性能和熱穩(wěn)定性能，進一步保證了鈦合金材料在高溫時的耐磨性能，同時還有強烈的細化晶粒的作用，保證的材料組織的均勻性。

本發(fā)明鈦基復合材料在研制過程中經(jīng)過反復的試驗，為了提高復合鈦合金的耐磨性，本發(fā)明不直接添加增強相TiC和TiB，否則在經(jīng)受外界加載荷作用或者工作環(huán)境有變化時，界面抵抗損傷能力低，影響材料的綜合性能，尤其是耐磨性能；而利用B₄C粉和碳粉與基體鈦合金原位反應生成（TiC+TiB）增強鈦基復合材料。B₄C粉和碳粉中的C、B元素，與鈦合金基體發(fā)生反應，然后在液相中形核長大，所得到的增強體與基體之間的結(jié)合強度極高，最終制得的材料性能也很好。碳粉與基體中的鈦發(fā)生反應，生成TiC，B₄C粉與基體中的鈦發(fā)生反應，會生成TiC、TiB以及TiB₂。由于過量的鈦與TiB₂之間能發(fā)生化學反應，使得TiB₂在鈦合金基體中不能穩(wěn)定存在。因此，在鈦合金基體中加入B₄C粉和碳粉，即使在升溫過程中會形成TiB₂，但是由于鈦的過量存在，隨著鈦的升溫及熔化，鈦也能與TiB₂反應形成TiB，最后只形成TiB及TiC增強相。生成的TiB和TiC的密度分別為4.57 g/cm³及4.99g/cm³，與鈦的密度4.5g/cm³相近；TiB和TiC的泊松比為0.2，與鈦的泊松比0.3相近。這導致了TiB和TiC與鈦基體互容性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。增強相TiB和TiC的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，彈性模量為鈦的4-5倍，與基體鈦結(jié)合，使得鈦基復合材料的硬度提高，其耐磨性和抗氧化性優(yōu)異。

本發(fā)明的耐磨鈦基復合材料，其增強相的形態(tài)取決于凝固過程和增強相的晶體結(jié)構(gòu)。從組織結(jié)構(gòu)分析，TiB為有序斜方結(jié)構(gòu)，原子結(jié)合強度具有高的非對稱性，形成針狀或短纖維狀，而TiC為有序面心立方結(jié)構(gòu)，原子間的自由結(jié)合能變現(xiàn)出很高的各向同行，形態(tài)上表現(xiàn)為等軸或近似等軸狀。在凝固過程中，隨著溫度的降低，發(fā)生三元共晶，形核率高而擴散速率低，使得三元共晶析出物TiB和TiC增強相尺寸較為細小，從而增加了硬度，提高了耐磨性。若TiB和TiC超出范圍，材料塑性降低幅度較大，材料變脆，綜合性能較差。高溫時，由于增強相對晶界的抑制作用，細小的晶粒難以長大，所以最終的晶粒仍能保持較細小，保證了在高溫時，材料的耐磨性。

綜上所述，本發(fā)明耐磨鈦基復合材料，是通過添加B₄C粉和碳粉，與鈦反應，產(chǎn)生TiB和TiC增強相，硬度高，耐磨性好，可以在室溫和高溫時都保持摩擦系數(shù)穩(wěn)定。同時，在與基體中元素相互作用，進一步提高材料的的耐磨性。在復合材料制備過程中，為了消除凝固過程中的凝固應力和穩(wěn)定鑄態(tài)組織，對鈦基復合材料鑄錠進行了均勻化退火處理。

附圖說明

圖1是實施例1室溫和高溫時測量的摩擦系數(shù)。

圖2是實施例1的顯微組織。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做詳細的陳述。

實施例1。

一種耐磨鈦基復合材料按重量百分比包括Al6.5%、Sn3%、Zr5%、Mo0.5%、Si0.4%、W0.1%、B₄C粉0.9%、C粉4.1%，其余為Ti。

所述的B₄C粉和C粉與Ti反應，生成2.5%的重量分數(shù)的強化相TiB，及5%的重量分數(shù)的強化相TiC。

實施例2。

一種耐磨鈦基復合材料按重量百分比包括Al5%、Sn2.5%、Zr4%、Mo0.4%、Si0.3%、W0.2%、B₄C粉0.8%、C粉1.2%，其余為Ti。

所述的B₄C粉和C粉與Ti反應，生成2.2%的重量分數(shù)的強化相TiB，及2%的重量分數(shù)的強化相TiC。

實施例3。

一種耐磨鈦基復合材料按重量百分比包括Al7%、Sn3.5%、Zr6%、Mo0.6%、Si0.7%、W0.4%、B₄C粉2.3%、C粉3.7%，其余為Ti。

所述的B₄C粉和C粉與Ti反應，生成2.7%的重量分數(shù)的強化相TiB，及6%的質(zhì)量分數(shù)的強化相TiC。

實施例4。

一種耐磨鈦基復合材料按重量百分比包括Al6%、Sn3%、Zr5%、Mo0.5%、Si0.4%、W0.2%、Pt0.1%、La0.01%、B₄C粉0.9%、C粉2.1%，其余為Ti。

所述的B₄C粉和C粉與Ti反應，生成2.5%的重量分數(shù)的強化相TiB，及3%的重量分數(shù)的強化相TiC。

實施例5。

一種耐磨鈦基復合材料按重量百分比包括Al5%、Sn3.5%、Zr4%、Mo0.6%、Si0.5%、W0.3%、Ta0.05%、Ce0.05%、B₄C粉1%、C粉4%，其余為Ti。

所述的B₄C粉和C粉與Ti反應，生成2.4%的重量分數(shù)的強化相TiB，及5%的重量分數(shù)的強化相TiC。

以實施例1為例，對本發(fā)明鈦基復合材料材料進行如下性能檢測分析。

對實施例1進行摩擦系數(shù)測定，見圖1。采用球盤式常溫高溫摩擦磨損試驗機對耐磨鈦基復合材料進行測試。在磨損開始大約5min的時間里，摩擦系數(shù)呈上升趨勢，這說明耐磨鈦基復合材料存在預磨期。這是由磨損接觸面粗糙度的變化引起的，在摩擦初始階段，對磨面的粗糙度較小，摩擦力較小，因而摩擦系數(shù)較小，隨著磨損的進行，對磨面的粗糙度逐漸增大，摩擦力也逐漸增大，摩擦系數(shù)隨之增大，經(jīng)過預磨期后，對磨面的粗糙度趨于穩(wěn)定，磨損進入穩(wěn)定階段。穩(wěn)定后的常溫摩擦系數(shù)在0.38左右，600℃摩擦系數(shù)在0.35左右，二者比較接近。摩擦系數(shù)隨溫度的升高而減小。這是由于隨著溫度的升高，材料軟化，金屬基體的粘性增大，摩擦阻力減小，同時磨屑以及高溫氧化物在對磨表面塞積更多，進入磨痕的凹坑或者犁溝，起到一定的潤滑作用，從而使得摩擦系數(shù)略有減小。但由于耐磨鈦合金基復合材料中存在TiC及TiB顆粒，其耐磨性及抗氧化性優(yōu)異，導致摩擦系數(shù)降低并不多。

對實施例1進行組織分析，見圖2。圖2為耐磨鈦基復合材料的掃描電子顯微鏡顯微組織照片，由圖中可以看出增強體較為均勻的分布在基體上，基體組織比較細?。ňЯ３叽纾?00μm）。增強體的形態(tài)有等軸狀或近似等軸狀、晶須狀、短纖維狀。進行SEM能譜分析結(jié)果可知，針狀及短纖維狀的顆粒中主要含有Ti和B元素，等軸及近似等軸狀的顆粒中主要含有Ti和C元素，由此可推斷，針狀及短纖維狀的粒子為TiB，而等軸及近等軸狀的顆粒為TiC。

對實施例1進行硬度測試，布氏硬度為HB450-480，而一般的鈦合金硬度不超過HB340。室溫彈性模量為126GPa，而一般鈦合金的彈性模量為110GPa左右。室溫的抗拉強度在1200MPa左右，屈服強度為1000MPa左右。

對實施例4進行力學性能測試，室溫時，抗拉強度在1300MPa左右，屈服強度在1200MPa左右，延伸率≥10%，摩擦系數(shù)在0.4左右。由于添加了Pt，使得材料的室溫強度高于實施例1的室溫強度；在高溫摩擦時，鈦合金基體會與氧發(fā)生氧化反應，氧化磨損必然會發(fā)生，但是加入La，大大降低了氧化磨損的發(fā)生，使得整體材料的耐磨性得到廣泛的提高。

對實施例5進行力學性能測試，室溫時，抗拉強度在1250MPa左右，屈服強度在1200MPa，延伸率≥11%，摩擦系數(shù)在0.38左右。由于添加了Ta，使得材料的室溫強度高于實施例1的室溫強度，且材料的硬度有所提高，可達到HB480-500，硬度提高，耐磨性也有所增強。鈦合金材料在溫度升高時，隨著材料的摩擦進行，材料的連續(xù)性被破壞，引起微裂紋的形成，Ce的加入，降低了微裂紋的形成，保證了高溫時材料的使用壽命。