專(zhuān)利名稱(chēng)：：通過(guò)粉末冶金法制備基于鈦合金的并且TiB強(qiáng)化的復(fù)合部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明一般涉及陶瓷強(qiáng)化的金屬合金，尤其是硼化鈦強(qiáng)化的鈦合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
：在由大范圍材料制備元件中，粉末冶金法(PM)是一種很流行的方法，這些材料中的許多采用更一般的例如鑄造法、成形法或機(jī)械加工之類(lèi)常規(guī)方法是很困難的或不可能的。粉末冶金法特別適合于由難熔材料和在其它工藝中無(wú)法形成真正的合金的材料制備元件，并且由于其可重復(fù)性以及無(wú)廢料的特點(diǎn)，非常適合于大規(guī)模的生產(chǎn)制造(例如汽車(chē)元件的制造)。在典型的粉末冶金工藝中，將金屬粉末與合金化材料、潤(rùn)滑劑、粘結(jié)劑或類(lèi)似物進(jìn)行混合，然后采用適當(dāng)?shù)墓に囇b置壓制成近凈形狀(near-netshape),隨后在魏氣氛中進(jìn)行燒結(jié)j軀制的粉末以冶金方式粘合在一起。通常，可能進(jìn)行一種或多種的次要操作，包括打毛刺以及相關(guān)的表面處理、再壓、浸漬和M^、孔隙。鈦具有優(yōu)異的耐腐蝕性、相對(duì)高的耐熱性以及高比強(qiáng)度，因此經(jīng)常用于重量敏感的工程應(yīng)用中。運(yùn)輸業(yè)，尤其和航空應(yīng)用相關(guān)的，尤其得益于鈦以及鈦合金的{頓，從而創(chuàng)建了結(jié)構(gòu)上高效的平臺(tái)。然而，至今為止它有限的剛度使充分開(kāi)發(fā)鈦的必須呈現(xiàn)的相對(duì)于其耐熔性更高的相似物的優(yōu)勢(shì)變得很困難。例如，鈦基合金的彈性模量大概是鋼基材料和鎳基材料的一半。采用附加量的材料以彌補(bǔ)這些較低岡峻值斷氐了鈦相對(duì)鎳凝口鐵基替換物的效率優(yōu)勢(shì)。提高鈦基合金的剛度的一種方法就是將它們和具有相對(duì)高模量的陶瓷材料進(jìn)行結(jié)合。這種將大塊金屬(abulkmetal)與連續(xù)或不連續(xù)的強(qiáng)化體的結(jié)合是相對(duì)較新的一類(lèi)材料的一部分，這種材料被稱(chēng)做為金屬基質(zhì)復(fù)合材料(MMC)，其中結(jié)構(gòu)性質(zhì)可以3IM3i當(dāng)選擇成分材料來(lái)針對(duì)具體工程應(yīng)用進(jìn)行定制。通常MMC的，尤其是鈦基MMC的，不連續(xù)構(gòu)造的變體可以承受粉末冶金法，這是因?yàn)榛衔镄纬尚蕴沾刹牧?compound-formingceramicmaterial)在燒結(jié)的過(guò)程中可以與鈦基礎(chǔ)發(fā)生反應(yīng)得到強(qiáng)化體從而提高整個(gè)復(fù)合材料的性能。具體而言，除了提高鈦的剛度，強(qiáng)化材料(典型地呈顆粒狀形態(tài))還帶來(lái)其他結(jié)構(gòu)上的好處，包括對(duì)于有關(guān)磨損而言硬度更高，以及多種相以提高斷裂韌性。在用于制備鈦基MMC的PM工藝中，鈦前體可以與另一種材料組合，所述另一種材料在適當(dāng)?shù)捏H和壓力剝牛下形成硬化的、岡l勝的陶瓷強(qiáng)化材料，簡(jiǎn)單列舉一些如硼化鈦(TiB)、碳化鈦(TiC)、或魏化鈦(TiN)。其中，TiB被證明特別適合作為鈦MMC的強(qiáng)化相，因?yàn)門(mén)氾表現(xiàn)出高的強(qiáng)度、硬度、耐熱性和彈性模量，在齡鈦合金PM鵬條件中熱力學(xué)穩(wěn)定，不溶于鈦合金中，與鈦合金具有相似的熱膨脹系數(shù)，并在其與鈦基質(zhì)之間形成穩(wěn)定的晶界。不過(guò)，TiB本身并不穩(wěn)定，因此必須原位獲得，例如M31二硼化鈦(TiB2)與T！粉末在燒結(jié)過(guò)程進(jìn)行反應(yīng)獲得。通過(guò)粉末冶金生產(chǎn)鈦基MMC面臨很多挑戰(zhàn)。對(duì)于高質(zhì)量的鈦基MMC(或者提高了斷裂韌性和抗疲勞性)而言最重要的因數(shù)就就諸如碳、氫、氧、或氮之類(lèi)元素的控制。并且避免形成鎂化合物和鈉化合物也是很重要的。在這些元素中，氧是最重要的需要限制的元素。例如，殘余的氧可能以氧化物膜的形式在鈦前體的表面上形成。通過(guò)限制了更合意地強(qiáng)化相例如上面提到的二硼化物的生成，這種氧的存在會(huì)斷氐最終產(chǎn)品的密度和機(jī)械性能。將粉末進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕旌蠈?duì)獲得均一的微觀結(jié)構(gòu)以及阻止強(qiáng)化成分成鏈也很關(guān)鍵。對(duì)具有優(yōu)異的韌性、耐腐蝕性、高剛度、耐磨性以及耐熱性的高強(qiáng)度鈦基材料存在著需求。進(jìn)一步還存在著以成本有效的方式生產(chǎn)這些材料以滿(mǎn)足高產(chǎn)量元件制備方法的需求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明滿(mǎn)足這些需求，其中對(duì)結(jié)合了下述特征的方法和^g進(jìn)行了公開(kāi)。根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，公開(kāi)了復(fù)合元件(compositecomponent)的制備方法。該元件是由鈦合金基質(zhì)和分布在該基質(zhì)中的TiB2強(qiáng)化顆粒制成的復(fù)合材料，其中該方法包括將多種前體(即，成分)材—料混合在一起得到混合物，然后將所述混合物進(jìn)行壓實(shí)并燒結(jié)所述壓實(shí)的混合物以制備復(fù)合材料形式的元件。這些前體材料包括基本上純的鈦(例如單質(zhì)鈦)、氫化鈦(TiH2)、合金化材料(alloyingmaterial)以及硼源材料。在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量使硼源材料與鈦進(jìn)行反應(yīng)形成二硼化鈦(例如，作為顆粒形式的化合物)，同時(shí)TiH2變得活化而與混合物中存在的任何氧進(jìn)行反應(yīng)C由此幫助去除)。燒結(jié)過(guò)程中TiB2與單質(zhì)鈦反應(yīng)得到TiB，在鈦合金中TiB僅僅是熱力學(xué)穩(wěn)定的。TiB在MMC中作為強(qiáng)4t^粒。在本上現(xiàn)為中使用的燒結(jié)應(yīng)該理解與其它涉及熔化的高溫操作是有明顯的區(qū)別，區(qū)別在于燒結(jié)涉及將材料加熱到稍稍低于它熔點(diǎn)的溫度(典型地是在熔點(diǎn)附近，但是不限定，熔點(diǎn)的80%)，這樣使前體材料的分散的顆粒M固^f散相互粘附。同樣地，術(shù)語(yǔ)"壓實(shí)(compact)"和它的變體是壓制(pressing)的同義詞，其中采用剛性的機(jī)械加工工具在混合物上施加大的壓力使該混合物得到雌的幾何形狀。非限制性舉例而言，這種壓制或壓實(shí)操作可涉及5-100口^平方英寸的壓力。任選的，前體材料是粉末狀的。在這種情況下，可以使用基本上純的鈦粉末。在本上下文中，術(shù)語(yǔ)"基本的"是指要素或特征的排列，所述排列盡管在理論上會(huì)預(yù)期顯示出精確的一致性或行為，但是在實(shí)踐中可以體現(xiàn)出弱于精確的狀態(tài)。同樣的，該術(shù)語(yǔ)代表在不導(dǎo)致所關(guān)注的主題的基本功能發(fā)生變化的情況下定量的數(shù)值、測(cè)量結(jié)果或其它相關(guān)的表示可以和聲稱(chēng)的參考值不同的程度。例如，很容易獲得純度為99.9%的市售鈦，這樣可以被認(rèn)為是基本純的鈦了。此外，基本純的金屬例如鈦的氧化并不減損其基本純的本質(zhì)。因此，暴露于環(huán)境氣氛后在金屬表面上形成氧化物膜、層或類(lèi)似物的基本純的鈦在本上下文中f燃被認(rèn)為是基本純的鈦。在特定的形式中，硼源材料由TiB2組成。在另一種選擇中，混合物中可包括至多大約10wt^的T線(xiàn)，更特定的范圍是約3-7wtX的TiH2。在燒結(jié)Ml呈中的加熱速度優(yōu)選限定為最高5。C/分鐘，更為特別的范圍是2-5匸/併中。本發(fā)明的燒結(jié)過(guò)程可以?xún)?yōu)選在可控氣氛中進(jìn)行，從而避免氧化和相關(guān)的污染。這種控制的實(shí)例可以包括排空的環(huán)境或在惰性環(huán)境。在另一選項(xiàng)中，混合過(guò)程能夠有兩個(gè)目的。除了主要的使粉末或其它組皿行均勻分布的益處之外，發(fā)明人還確定更劇烈的混合方法有助于去除氧化層，該氧化層可能由于金屬暴露在大氣或相關(guān)的含氧環(huán)境中累積在鈦表面上的。以此方式，混合還包括去除至少一部分的這種氧基材料。更特別的是，去除過(guò)程包括將前體材料放置在惰性環(huán)境里(例如抽空氧之后的氬氣)然后將前體材料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)混合直到所述混合后的材料具有預(yù)先確定的特性的時(shí)間為止，所述預(yù)先確定的特性例如最大的粉末尺寸、表面光滑度、燒結(jié)前合金化的證據(jù)以及提高了的振實(shí)密度(tapdensity)，后者對(duì)應(yīng)著在搖晃或壓實(shí)以促進(jìn)沉淀后混合材料的體積密度(bulkdensity)。旋轉(zhuǎn)混合可以更具體地包括采用攪拌機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，混合滾筒或其它混合部件在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，大約3600轉(zhuǎn)/^H中的旋轉(zhuǎn)鵬下進(jìn)行約4-12小時(shí)產(chǎn)生了實(shí)5LM預(yù)定特性、去P員化膜中的一項(xiàng)或者兩者所必需的混合程度。本發(fā)明非常適合用來(lái)生產(chǎn)大量的鈦基結(jié)構(gòu)元件，但是發(fā)明人發(fā)現(xiàn)它們尤其適合于汽車(chē)工業(yè)和相關(guān)運(yùn)輸工具的元件。在本上下文中，術(shù)語(yǔ)"汽車(chē)"并不僅僅是指轎車(chē)，還包括卡車(chē)、摩托車(chē)、公共汽車(chē)以及相關(guān)運(yùn)輸方式的機(jī)動(dòng)。在汽車(chē)應(yīng)用中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)油本發(fā)明公開(kāi)的材料以及方法得至啲元件尤其是適合與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的應(yīng)用，在這種應(yīng)用中高的機(jī)械載荷與高溫狀態(tài)同時(shí)存在。汽車(chē)元件的例子包括閥門(mén)(valve)、保持片(retainer)、氣門(mén)彈簧(valvespring)、連接桿、螺栓、緊固件、螺旋懸架彈簧(coilsuspensionspring)以及排氣系統(tǒng)(exhaustsystem)。除了上述的混合、壓實(shí)和燒結(jié)操作之外，還可能迸行了其它任選步驟。例如，一次或多次的表面改性操作，例如打毛刺(debuning)、表面加壓噴丸(surfacecompressivepeening)、？咸少孔隙或浸漬(最后者將潤(rùn)滑劑注入元件中，比如可用于軸承、軸頸或相關(guān)的部件中)，可以用于改善最終元件的功能。任選的，攪拌器(agitator)的構(gòu)造可以是各種形式的。在一種形式中，攪拌器是由眾多鈦基球體或球狀物組成，這些球體或球狀物可以在混合容器中旋轉(zhuǎn)，比如通過(guò)容器的運(yùn)動(dòng)或類(lèi)似的方式。在另一種形式中，攪拌器可以是從細(xì)長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)軸方婦寸狀伸出的槳、棒或相關(guān)部件，使得在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)攪動(dòng)粉末。在雌的選項(xiàng)中，球體或部件的最低預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速是約3600轉(zhuǎn)/射中(RPM)，最短預(yù)設(shè)時(shí)間是大約4小時(shí)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開(kāi)了制備硼化鈦強(qiáng)化鈦基金屬基質(zhì)復(fù)合材料元件的方法。該方法包括將至少基本純的鈦粉末與合金化材料以及硼源材料進(jìn)行混合?；旌系某潭群颓懊娴挠涊d相似，其中所述混合相對(duì)于僅僅將成分材料進(jìn)行基本上均勻分布所需的混合更為劇烈，因?yàn)橥ㄟ^(guò)粉末狀碰撞材料間的摩^開(kāi)磨除去可能在鈦粉末上形成的大部分或全部的任何氧化物層。除了混合之外，混合物必須壓實(shí)成元件的形狀，之后將壓實(shí)的混合物燒結(jié)到足以使硼源材料與鈦進(jìn)行反應(yīng)得到由硼化鈦組成的強(qiáng)化相的程度。在一種任選的形式中，本方法進(jìn)一步包括添加氫化鈦到鈦粉末、合金化材料和硼源材料成分中，從而使其可以與它們一起進(jìn)行混合。在元件燒結(jié)后還可以進(jìn)行包括鍛造和退錢(qián)作中的一個(gè)或多個(gè)的另夕卜步驟。通過(guò)附圖可以對(duì)本發(fā)明的下列詳述進(jìn)行更好地理解，圖中相同的結(jié)構(gòu)用相同的附圖標(biāo)記表示，其中圖1所示的根據(jù)本發(fā)明的方面制備鈦基MMC元件的工藝流程圖；圖2所示的是在鈦基MMC中氫含量隨燒結(jié)溫度變化的變化曲線(xiàn)；圖3所示的是在用于制備鈦基MMC的成分材料混合中所使用裝備的簡(jiǎn)圖；圖4A-4C所示的是根據(jù)本發(fā)明的方面在劇烈混合過(guò)程后的各種前體材料；圖5和圖6所示分別是用于TP325和TP250的鈦粉末的示例性尺寸分布；圖7所示的是在燒結(jié)后從TiB2到TiB的轉(zhuǎn)變的X射線(xiàn)衍射分析的結(jié)果；圖8所示的是A1-V合金化粉末的掃描電鏡(SEM)照片；圖9所示的是圖8中Al-V合金化粉末的尺寸分布；圖10A-10D所示的是根據(jù)本發(fā)明的方面燒結(jié)后的TiMMC的微觀結(jié)構(gòu)；圖11A-llF所示的是根據(jù)本發(fā)明的方面采用不同工藝的燒結(jié)后的TiMMC的微觀結(jié)構(gòu)；圖12A-12B所示的是燒結(jié)后的TiMMC微觀結(jié)構(gòu)對(duì)各種溫度的依賴(lài)性；圖13A-13B所示的是不同的TiB2添加量對(duì)TiMMC微觀結(jié)構(gòu)的影響。具體實(shí)施例方式首先參見(jiàn)圖1，示意性地示出了混合、壓實(shí)和燒結(jié)步驟以及任選的燒結(jié)后步驟。第一步包括混合IOO。如圖所示，使用至少四種不同的成分材料，包括單質(zhì)鈦或其他基本純形式的鈦IIO，氫化鈦120、合金化材料130以及硼源材料140。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，這里剤艮多種已知的方法混合成分材料；一些這樣的方法包括球磨混合、振動(dòng)磨混合以及V型混合。這些常規(guī)方法一般適合所要達(dá)至啲目的，艮P，在這些材料的混合物中前體材料相對(duì)分布均勻。接下來(lái)參照?qǐng)D3，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)5JM這些常規(guī)混合方式進(jìn)行的修改可以用于提高混合的前體盼性能，尤其因?yàn)槠渖婕胺勰┏叽绲慕档?、表面的光滑度、稍微的燒結(jié)前合金化以及混合物振實(shí)密度的提高。通過(guò)顯著地提高混合時(shí)間和混合劇烈性的組合(后者可以類(lèi)比為和僅僅實(shí)現(xiàn)上述均勻混合所需的相比，將成分更猛烈地?fù)u動(dòng))，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)不僅僅實(shí)現(xiàn)上述的一些屬性，而且由于所攪拌粉末間的機(jī)擦可以去除鈦粉末表面上可能形成的潛在的不希望的氧化層。這樣劇烈的混合(例如Sil修改的研磨過(guò)程)也充當(dāng)活化步驟(activationstep),因?yàn)檫@種氧化層的去除可能是有利的，因?yàn)榻档涂紫堵省⒏g敏感性以及可育樹(shù)預(yù)期TiB強(qiáng)化相的后續(xù)污染。此外，發(fā)明人已經(jīng)確認(rèn)高速攪拌，尤其是采用不同尺寸鈦球行的情況下，擅長(zhǎng)于產(chǎn)生導(dǎo)致高表面能水平的成分材料的那種表面變形，這導(dǎo)致導(dǎo)致最終的晶體結(jié)構(gòu)中形成位錯(cuò)和無(wú)序(disorder),從而使裂紋擴(kuò)展機(jī)制(crackpropagationmechanic)最小化。在制備材料中采用的第二步包括壓實(shí)、壓制或其它方式形成所述混合物。這如步驟200所示。如上面所述的混合步驟，剤艮多方法可將該元件形成其生坯狀態(tài)(也就是燒結(jié)前)。這些方g括等靜成型、或者模壓成型等等。在壓實(shí)200中對(duì)混合物所加的壓力足以使部件保持基本上為近凈形狀，并同時(shí)等待燒結(jié)步驟300(下面進(jìn)行討論)。第三步是燒結(jié)步驟300。在燒結(jié)過(guò)程中，壓實(shí)的生坯元件被加熱從而使鈦(例如^單質(zhì))和合金化材料進(jìn)行合金化，從而得到鈦基基質(zhì)。如前所述，可以采用受控環(huán)境從而降低污染的可能性。燒結(jié)步驟300可以進(jìn)行的^^,在1200。C-1450°(:之間。燒結(jié)步驟300可以包括具有斜度的加熱方案，比如為2。C/併中-5。C/併中之間。具體而言，燒結(jié)^j^對(duì)Ti-MMC中氫量的影響的一個(gè)例子如圖2所示。隨后可以使用冷卻方案，其中燒結(jié)的元件在7小時(shí)內(nèi)7賴(lài)口。這種情況下，7轉(zhuǎn)卩速率可以是約20(TC/小時(shí)。并且在燒結(jié)步驟300中，硼源材料140與鈦110之間發(fā)生反應(yīng)從而形成T氾，以及鈦合金(例如Ti6A14V)。同樣的，所述步驟還可能包括閉模鍛造(closeddieforging)或相變致密化(phase-transformationdensification)400，這里燒結(jié)過(guò)程中留下的??？L可以通過(guò)熱壓鍛造(hot-pressforging)去除。該步驟^^t在高溫進(jìn)行。在室溫施加到該部件上的涂層有助于阻止在高溫下的部分氧化。在一種形式中，涂層含有A1203、以及B203和有機(jī)粘合齊U。對(duì)于一些涂層而言，當(dāng)部件加熱到7(TC是可以利用刷子施加，隨后干燥所述部件。典型的,溫度范圍是900-1400°C，更特別的是1200-1350°C，具體取決于T氾2的含量，含難高要求j頓的麟鵬越高。典型的減少比(鍛造前后橫截面積之比，有時(shí)稱(chēng)作厚度減少百分比，和被加工的MMC材料的尺寸有關(guān))寬泛而言應(yīng)該是300%—800%之間，特別范圍是500%-700%。在這個(gè)范圍內(nèi)，燒結(jié)溫度會(huì)是1350°C。典型的退火，應(yīng)該是550-950。C之間的寬范圍內(nèi)，尤其是在650-74(TC之間。時(shí)間應(yīng)該為0.5-2小時(shí)。仍如圖1所示，也可采用閉模鍛造或相關(guān)的相變致密化。在這種情況下，在閉模中的熱壓可以用于另外地除去孔洞并且隨后進(jìn)行致密化。在這種情況下，燒結(jié)溫度是135(TC。典型的退火溫度應(yīng)該是650-74(TC，范圍是550-950°C。時(shí)間應(yīng)該是0.5-2小時(shí)。本發(fā)明方法可以獲得高于99%的高燒結(jié)密度。特別參見(jiàn)圖4A4D，所示的是在MPT前后的典型混織末圖像，其中圖4A對(duì)應(yīng)的是MPT前的鈦粉，圖4B對(duì)應(yīng)的是MPT前的TiB2粉末，圖4C對(duì)應(yīng)的是MPT前的合金化粉末(具體的是A1-V粉末)而圖4D對(duì)應(yīng)的是MPT后的混合粉末。相比于沒(méi)有進(jìn)行MPT處理的粉末，在上述MPT條件下MPT處理過(guò)的粉末的性能表現(xiàn)出粉末尺寸下降了20%-60%，粉末的表面光滑度得以提高，使一些粉末進(jìn)行輕微的預(yù)合金化，并且提高振實(shí)密度30%~40%。MPT對(duì)燒結(jié)密度的影響如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>燒結(jié)前的壓實(shí)以及相關(guān)的振實(shí)密度可以通過(guò)多種振動(dòng)、搖晃或相關(guān)的攪拌方法獲得。一種提高燒結(jié)前壓實(shí)的方法是通過(guò)冷模壓實(shí)。在一種形式中，這可在室溫、190-360MPa(即，大約為28000-52000psi)的條件下進(jìn)行3卅中，典型的時(shí)間范圍為1-6併中，典型壓強(qiáng)范圍為230-270MPa。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了得到最好的生坯密度(greendensity)和生坯強(qiáng)度(greenstrength),f娜粒的尺寸應(yīng)該是在5-75微米的寬范圍內(nèi)的22-34微米。燒結(jié)過(guò)程包括以2-5tV分鐘的速度加熱這些生坯部件直到它們達(dá)到合意的燒結(jié)溫度，大約為1300°C，典型的溫度范圍(如上所述)是1200-145CTC，保溫3小時(shí)，典型的時(shí)間范圍為2-8小時(shí)。在燒結(jié)過(guò)程中，有禾啲是保持10乍a的真空2-8小時(shí)，更具體的時(shí)間范圍為3-6小時(shí)以達(dá)到990/^的理論密度。燒結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)越能進(jìn)一步提高燒結(jié)密度。前體材料的尺寸可變，但是用于制備Ti6A14VMMC的鈦粉末的典型尺寸范圍廣泛而言是在9-75貨j^之間，更窄的范圍是在18-28。有多種可能的方法進(jìn)行鈦粉的制備。一種是用氫化物-脫氫化物鈦粉制備方法(ahydride"dehydridetitaniumpowdermakingprocess),通過(guò)改變噴射研磨過(guò)程中的旋車(chē)^I度得到不同的粉末尺寸。特別參見(jiàn)圖5和圖6，示出了兩種典型Ti6A14V顆粒的尺寸分布和形貌，其中圖5對(duì)應(yīng)的是325目的鈦粉，而圖6對(duì)應(yīng)的是250目的鈦粉。典型的TiB2顆粒尺寸是在5-75微米，可以M自蔓延高溫合成方法得到，如下述反應(yīng)式Ti+2B—TiB2+Q(324KJ/mol)。TiB2粉末的物理性能如下表所示；圖7示出了區(qū)別燒結(jié)前i辦(也就是生坯)和燒結(jié)后試樣的X射線(xiàn)衍射分析，表明如何由T氾2和Ti燒結(jié)反應(yīng)得到TiB。用于獲得圖7所示結(jié)果的前體包括鈦、TiH2、Al-V40合金以及TiB2的粉末。TiB2的平均顆粒尺寸為9.2，是大約99%的丁氾2。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>T氾2和Ti6A14V具有相近的密度。這有利于對(duì)它們進(jìn)行混合。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)TiB2大大降低鈦MMC的燒結(jié)密度。當(dāng)TiB2的含翻過(guò)7wt^，鵬后的密度也開(kāi)始大大降低。一種可能的解釋可能是硼(大約為2.34彌立方厘米)和鈦(大約4.5彌立方厘米)的相對(duì)密度相差大。Al-V合金化材料的典型顆粒尺寸為5-75。當(dāng)呈粉末狀時(shí)，這些合金化材料也通過(guò)市售自蔓延高溫合成方法獲得，所述方法的最簡(jiǎn)單形式根據(jù)如下反應(yīng)A1+V205—AlV#Al203+Q。為制備Ti6A14VMMC，制備了三種不同的Al-V合^}末，A1與V的比率分別是60/40、50/50以及40/60?；瘜W(xué)組成主要是Al和V還有痕量的O、C、Fe禾t1Si。圖8和圖9特別所示的就是60/40Al-V粉末的掃描電鏡(SEM)形貌以及顆粒尺寸分布。下面參見(jiàn)圖10-圖13，所示的是各種燒結(jié)步驟和不同百分比的T氾2得到的結(jié)果。特別參見(jiàn)圖IOA-IOD，所示的是具有不同TiB2水平的Ti6A14VMMC的燒結(jié)后微觀結(jié)構(gòu)。燒結(jié)溫度是130(TC并且T氾2的含量分別是7^、10%、15%以及20%。特別參見(jiàn)圖11A-11H,所示的是由于不同TiB2濃度及加工條件的微觀結(jié)構(gòu)。特別地，TiB2濃度從3X(圖11A和11B)變化至至5%(圖11C和IID)，以及7%(圖11E-11H)，而且包括其它處理步驟的影響(圖11B、IID、11F以及11H)，包括鍛造(在95(TC)和退火(在93(TC)。特別參見(jiàn)圖10，所示的是具有不同TiB2含量的MMC的燒結(jié)后微觀結(jié)構(gòu)。特別參見(jiàn)圖ll，所示為具有不同丁氾2含量的MMC在后的退火后微觀結(jié)構(gòu)。從圖10-圖11的比較可看出10%TiBMMC具有致密且清晰的微觀結(jié)構(gòu)(denseandcleanmicrostructure)。如圖12A和12B所示，鵬溫度的變化影響了Ti6A14V/TiBMMC的m^見(jiàn)結(jié)構(gòu)。同樣的，圖13A和13B中給出了不同程度的TiB2硼源材料對(duì)燒結(jié)的、鍛造的以及退火后的微觀結(jié)構(gòu)的影響。具體而言，它們表明了鍛造溫度和退火、皿對(duì)孔隙的影響。例如，從前述可見(jiàn)，對(duì)開(kāi)劍頃向以及孔隙水平來(lái)說(shuō)，在115(TC進(jìn)行鍛造比在95(TC下進(jìn)行鍛造要好得多。特別參照?qǐng)D13，所示的是退火后的f^見(jiàn)結(jié)構(gòu)。在此參見(jiàn)圖1，燒結(jié)后操作500的眾多實(shí)例是可行的，例如機(jī)械加工(包括去頓lj)、表面加壓噴丸、或者再壓等等。另一實(shí)例包括防止氧化的步驟。在這種情況下，可以在室溫下在最終部件上施加涂層，該涂層包含各種氧化物，例如Al2Cb、Si02以及B203和有機(jī)粘結(jié)齊l」。在一種形式中，在部件被加熱到稍微升高的溫度，例如大約7(TC時(shí)，對(duì)一些涂層而言可以用刷子施加涂層，隨后千燥所述部件。相比于未強(qiáng)化的Ti6A14V合金，所述的Ti6A14VMMC具有更高的強(qiáng)度和彈性模量。這樣，T氾2對(duì)Ti6A14V鈦合金而言是優(yōu)異的強(qiáng)化材料。例如，強(qiáng)化后的Ti6A14V的彈性模量高于140GPa，平均是155GPa，而未強(qiáng)化的Ti6A14V的平均值是100GPa。極限拉伸強(qiáng)度高于1350MPa(平均是1450MPa)，顯著高于未強(qiáng)化的Ti6A14V的平均值1140MPa;0.2%屈服強(qiáng)度高于1250MPa(平均是1300MPa)，相比較，未強(qiáng)化的Ti6A14V的平均值是980MPa。洛氏硬度高于43。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面制備的結(jié)構(gòu)元件實(shí)例是用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的連接桿(connectingrod),但是本領(lǐng)域^t人員應(yīng)該理解也可以制備許多其它元件。雖然為了剩列說(shuō)明本發(fā)明的目的己經(jīng)給出了一些代表性實(shí)施方案和細(xì)節(jié)，但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言顯然可以在不偏離后附禾又利要求所限定的本發(fā)明范疇的情況下進(jìn)行各種各樣的改動(dòng)。權(quán)利要求1.制備包含鈦合金基質(zhì)和二硼化鈦強(qiáng)化體的復(fù)合元件的方法，該方法包括將包含基本上純的鈦、氫化鈦、合金化材料以及硼源材料的多種前體材料進(jìn)行混合；壓實(shí)所述混合物；和燒結(jié)所述壓實(shí)的混合物，使得在所述燒結(jié)過(guò)程中，所述硼源材料與所述基本上純的鈦進(jìn)行反應(yīng)以制備硼化鈦并且所述氫化鈦?zhàn)優(yōu)榛罨囊耘c所述混合物中存在的任何氧進(jìn)行反應(yīng)。2.如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述前##料是粉末形式的。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述混合進(jìn)一步包括除去在所述基本上純的鈦的表面上形成的任何基于氧的材料的至少一部分。4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述除去包括將所述多種前體材料方j(luò)(S在隋性環(huán)境中并且使它們進(jìn)行旋轉(zhuǎn)混合直至?xí)r間比如。5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述旋轉(zhuǎn)混合包括I^I至少為大約3600轉(zhuǎn)每射中，持續(xù)至少大約4小時(shí)。6.如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述基質(zhì)選自P鈦、a-2鈦、Y鈦和其組合。7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述混合物包括大約3-7wty。的氫化鈦。8.如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述加熱以至多5"/併中的鵬進(jìn)行。9.如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述合金化材料包括鋁和釩。10.如權(quán)禾腰求l所述的方法，其中所述硼源材料包括二硼化鈦。11.如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述元件包括汽車(chē)元件。12.如權(quán)禾腰求ll所述的方法，其中所述汽車(chē)元件選自閥門(mén)、保持片、氣門(mén)彈簧、連接桿、螺栓、緊固件、螺旋懸架彈簧以及排氣系統(tǒng)。13.如權(quán)利要求l所述的方法，進(jìn)一步包括至少一^^燒結(jié)后表面改性操作。14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所超少一個(gè)燒結(jié)后表面改性操作選自打，lj、減少孔隙以及潤(rùn)滑劑浸漬。15.用于粉末冶金加工的鈦基材料的制備方法，所述方跑括將多種前體粉末材料放置于汰基混合容器中，所述前體粉末材料包括基本上純的鈦、氫化鈦、合金化材料以及硼源材料；用惰性流體基本上替代所述混合容器中的環(huán)境氣氛；以最小的預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)攪拌器最少的預(yù)定時(shí)間，直至獲得具有至少下列之一的混合物(1)粉末尺寸至少減小20%;(2)所述混合物的振實(shí)密度至少增加30%;(3)基本上AA^述鈦粉末中去除了氧化物膜；禾口將所述混合物燒結(jié)。16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述攪拌器包含經(jīng)構(gòu)造以在所述混合容器中旋轉(zhuǎn)的多個(gè)基于鈦的球。17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述最小的預(yù)定速度是大約3600轉(zhuǎn)/^中，所述最少預(yù)定時(shí)間是大約4小時(shí)。18.制備硼化鈦強(qiáng)化的鈦基金屬基質(zhì)復(fù)合元件的方法，所述方法包括將至少基本上純的鈦粉末與合金化材料以及硼源材料混合，使得S^f述基本上純的鈦粉末上形成的任何氧化物的基本上大部分被從中去除；將所述混合物壓實(shí)j^;述元件的，；禾口燒結(jié)所述壓實(shí)的混合物，使得在所述燒結(jié)過(guò)程中，所述硼源材料與所述基本上純的鈦進(jìn)行反應(yīng)，以得到由所述硼化鈦構(gòu)成的強(qiáng)化相。19.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括在所述混合之前，在所述基本上純的鈦粉末、合金化材料和硼源材料中添加氫化鈦。20.如權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括一旦所述燒結(jié)完成，對(duì)所述元件進(jìn)fi^造和退火中的至少一種。全文摘要本發(fā)明涉及通過(guò)粉末冶金法制備基于鈦合金的并且TiB強(qiáng)化的復(fù)合部件的方法，尤其涉及制備鈦基金屬基質(zhì)復(fù)合材料的方法。在一種方式中，可以在基本上純的鈦、合金化材料以及硼源中添加氫化鈦，使得這些材料的混合物可以粉末冶金工藝進(jìn)行壓實(shí)和燒結(jié)從而制備由硼化鈦強(qiáng)化的鈦合金構(gòu)成的部件。在另一種方式中，所述基本上純的鈦、合金化材料以及硼源可以劇烈混合(可含有也可不含有氫化鈦)至如下程度可以去除在鈦前體上可能已經(jīng)形成的氧化膜以最小化制造的元件中的氧含量。文檔編號(hào)B22F5/00GK101530918SQ20081023385公開(kāi)日2009年9月16日申請(qǐng)日期2008年12月12日優(yōu)先權(quán)日2007年12月13日發(fā)明者L·周,Q·段,R·D·里基,T·楊,Y·吳,Y·王申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作公司;西北非鐵金屬研究所