本發(fā)明屬于金屬材料成形相關，更具體地，涉及一種非連續(xù)體增強鈦基復合材料燒結-軋制短流程環(huán)件成形方法及產品。

背景技術：

1、鈦合金具有低密度、高比強度、無磁無毒及優(yōu)異的耐腐蝕性能等特點，廣泛應用于航空航天、武器裝備、汽車、船舶等領域的關鍵零部件中，但目前鈦合金在應用過程中受熱障溫度限制，當服役溫度在600℃以上時，鈦合金的高溫強度、蠕變抗力和高溫抗氧化性能急劇下降，從而使材料失效，使零件無法滿足性能要求。在400℃～700℃區(qū)間工作的高壓壓氣機高溫段零件(如環(huán)件、葉片等)目前仍使用密度約為鈦合金1.83倍的鎳基高溫合金，而過多使用鎳基高溫合金材料的零部件會明顯增加發(fā)動機重量和能耗，制約發(fā)動機推重比的提高。隨著航空航天領域的快速發(fā)展，對輕量、高強、耐高溫等材料提出更高的要求。

2、高模量、高強度的增強體與塑性、韌性好的鈦合金基體的結合，使鈦基復合材料(tmcs)具有更優(yōu)異的性能。鈦基復合材料相比基體鈦合金具有更高的比模量、比強度、高溫抗蠕變、抗氧化和耐磨損等性能，能使基體鈦合金的使用溫度提高將近200℃。相比連續(xù)纖維增強鈦基復合材料，以顆?；蚓ы殲樵鰪婓w的非連續(xù)體增強鈦基復合材料(drtmcs)具有各向同性、制備工藝簡單、生產成本低，最重要的是可進行二次變形加工，且具有更好的高溫性能，滿足高性能航空發(fā)動機高壓壓氣機部位零件的高溫服役要求，被認為是航空航天領域極具應用前景的結構材料，可以替代壓氣機中的鎳基高溫合金結構件以減輕重量，提高發(fā)動機的推重比。此外，高彈性模量增強體的引入使tmcs具有高的比模量，可減少零件在工作中的變形，從而保證零部件的剛度。然而由于引入與基體鈦合金物理、化學性質不同的增強體，使tmcs在熱塑性加工中存在以下難題：tmcs的熱加工區(qū)間窄，成形難度高；增強體與基體間的組織差異使變形不均勻，導致材料流動性差；變形量大時易造成tmcs開裂、成形困難，從而使drtmcs零件的制造成形變得相當困難。

3、環(huán)形件是航空發(fā)動機中重要的承載部件，比如壓氣機機匣、渦輪機匣、連接環(huán)、密封環(huán)等，由于工作溫度較高，目前仍較多使用密度高的鎳基高溫合金材料，選用性能好的drtmcs替代鎳基高溫合金作為成形環(huán)件的材料能減輕航空發(fā)動機重量，提高推重比。但由于航空發(fā)動機壓氣機中環(huán)件直徑大且壁厚薄，而drtmcs材料的變形抗力大、流動性差。傳統(tǒng)環(huán)軋工藝首先需經高溫下鑄坯改鍛、鐓粗、預沖孔、沖孔制成環(huán)坯，然后再采用徑、軸向軋制成形得到環(huán)件，如圖2所示，具有道次多、工序長、溫降和累積變形量大的特點，所以塑性較差的drtmcs環(huán)形坯料在大變形環(huán)軋成形中容易開裂導致成形失敗，因此難以用傳統(tǒng)多道次環(huán)軋工藝成形。此外，傳統(tǒng)環(huán)軋路線的起點是drtmcs鑄件，經鍛造開坯后會破壞增強體的結構完整性，且材料存在偏析和組織不均勻等缺陷，影響環(huán)件的高溫使用性能。如果采用粉末冶金、熔鑄或增材制造直接成形drtmcs環(huán)形件，零件存在致密度低、孔隙較多、韌性不足且一般需要后處理成形效率低等問題，難以直接加工出高性能環(huán)件。針對上述非連續(xù)體增強鈦基復合材料環(huán)件成形存在的難題，提出了一種燒結-軋制短流程環(huán)件成形方法。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種非連續(xù)體增強鈦基復合材料燒結-軋制短流程環(huán)件成形方法及產品，解決傳統(tǒng)環(huán)件軋制成形中道次多、工序長、溫降和累計變形量大導致塑性差的drtmcs環(huán)形坯料易開裂致使成形失敗的難題。

2、為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種非連續(xù)體增強鈦基復合材料燒結-軋制短流程環(huán)件成形方法，該方法包括下列步驟：

3、根據(jù)環(huán)形件的實際服役情況，選取滿足性能要求的鈦合金基體粉末和與該基體粉末匹配的增強相粉末，并確定二者的最佳質量比，將所述基體粉末和增強相粉末球磨混合，獲得所述增強相粉末均勻鑲嵌于鈦合金基體表面的混合粉末；將所述混合粉末置于異型模具中進行熱等靜壓燒結獲得環(huán)形坯料，對所述環(huán)形坯料進一步環(huán)軋修形、改性最終獲得目標環(huán)件。

4、進一步優(yōu)選地，所述鈦合金基體粉末為α型、近α型、(α+β)型、β型鈦合金中的一種或多種。

5、進一步優(yōu)選地，所述增強相粉末為al2o3、tin、b4c、sic、tic、tib2及tib中的一種或多種。

6、進一步優(yōu)選地，所述鈦合金基體粉末和增強相粉末的質量比按照下列公式確定：

7、

8、其中，m為加入增強相的質量，m為鈦合金基體的質量，r為增強相的平均半徑，r為鈦合金基體的平均半徑，ρ1為增強相的密度，ρ2為鈦合金基體的密度。

9、進一步優(yōu)選地，所述球磨混粉過程在氬氣保護的環(huán)境中進行。

10、進一步優(yōu)選地，所述球磨轉速為150～200r/min，球磨時間為5h～8h，球料比為(3:1)～(5:1)。

11、進一步優(yōu)選地，所述熱等靜壓燒結中的燒結壓力為50mpa～150mpa，燒結溫度為1100℃～1300℃，保溫時間為40min～4h。

12、進一步優(yōu)選地，環(huán)軋成形中驅動輥轉速為10r/s～100r/s，芯輥進給速度為0.05mm/s～1mm/s，錐輥進給速度為0.1mm/s～1mm/s。

13、按照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種利用上述所述的成形方法成形獲得的產品。

14、總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具備下列有益效果：

15、1.本發(fā)明將傳統(tǒng)環(huán)軋路線的起點由鑄件改為粉末燒結得到的形狀可調控且致密度高的燒結件，燒結過程中的異型模具結構可不斷進行優(yōu)化，進而調控環(huán)軋過程中復合材料環(huán)形坯料的累計變形量，并促進難成形區(qū)域的變形，以防開裂；另外，熱等靜壓燒結得到的環(huán)形坯料經環(huán)軋修形、改性后進一步減少其在燒結過程中引入的缺陷并均勻組織，使最終得到的drtmcs環(huán)件的組織和性能進一步提升，進而獲得性能優(yōu)異的異型截面drtmcs環(huán)件；

16、2.本發(fā)明與傳統(tǒng)的鍛造制坯-環(huán)件軋制成形工藝相比，環(huán)形坯料通過熱等靜壓燒結工藝制備，熱等靜壓技術結合了冷等靜壓和燒結工藝的優(yōu)勢，在高溫、高壓環(huán)境下成形實現(xiàn)零件的近終成形與高致密度，并且具有傳統(tǒng)工藝所不具備的優(yōu)點：①通過對粉末成分以及燒結模具的設計，可有效降低環(huán)形坯料燒結件中的氧含量和雜質含量，保證最終經環(huán)軋成形的零件組織均勻、化學成分穩(wěn)定，且可以達到很高的致密度甚至完全致密，保證得到的最終環(huán)件具有優(yōu)異的綜合性能，②模具內的混合粉末在熱等靜壓燒結過程中所受各個方向的壓力均勻，成形后表現(xiàn)出各向同性的力學性能。③環(huán)形坯料形狀可調控，可減少后續(xù)軋制變形的塑性變形量，提高drtmcs環(huán)形件的生產效率及成形質量；

17、3.本發(fā)明提供了一種非連續(xù)體增強鈦基復合材料燒結-軋制短流程環(huán)件成形方法，能夠實現(xiàn)復雜截面鈦基復合材料環(huán)形件的短周期成形，簡化了傳統(tǒng)環(huán)件軋制的工藝步驟，在實際生產制造過程中更經濟高效，利于經環(huán)軋工藝快速成形出性能優(yōu)異的異型截面drtmcs環(huán)形件。

技術特征：

1.一種非連續(xù)體增強鈦基復合材料燒結-軋制短流程環(huán)件成形方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：

2.如權利要求1所述的一種非連續(xù)體增強鈦基復合材料燒結-軋制短流程環(huán)件成形方法，其特征在于，所述鈦合金基體粉末為α型、近α型、(α+β)型、β型鈦合金中的一種或多種。

3.如權利要求1所述的一種非連續(xù)體增強鈦基復合材料燒結-軋制短流程環(huán)件成形方法，其特征在于，所述增強相粉末為al2o3、tin、b4c、sic、tic、tib2及tib中的一種或多種。

4.如權利要求3所述的一種非連續(xù)體增強鈦基復合材料燒結-軋制短流程環(huán)件成形方法，其特征在于，所述鈦合金基體粉末和增強相粉末粒徑尺寸差大于等于15倍，二者質量比按照下列公式確定：

5.如權利要求1所述的一種非連續(xù)體增強鈦基復合材料燒結-軋制短流程環(huán)件成形方法，其特征在于，所述球磨的混粉過程在氬氣保護下進行。

6.如權利要求5所述的一種非連續(xù)體增強鈦基復合材料燒結-軋制短流程環(huán)件成形方法，其特征在于，所述球磨的轉速為150～200r/min，球磨的時間為5h～8h，球磨過程中球料比為(3～5)：1。

7.如權利要求1所述的一種非連續(xù)體增強鈦基復合材料燒結-軋制短流程環(huán)件成形方法，其特征在于，所述熱等靜壓燒結中的燒結壓力為50mpa～150mpa，燒結溫度為1100℃～1300℃，保溫時間為40min～4h。

8.如權利要求1所述的一種非連續(xù)體增強鈦基復合材料燒結-軋制短流程環(huán)件成形方法，其特征在于，所述環(huán)軋中驅動輥轉速為10r/s～100r/s，芯輥進給速度為0.05mm/s～1mm/s，錐輥進給速度為0.1mm/s～1mm/s。

9.一種利用權利要求1-8任一項所述的成形方法成形獲得的產品。

技術總結
本發(fā)明屬于金屬材料成形相關技術領域，并公開一種非連續(xù)體增強鈦基復合材料燒結?軋制短流程環(huán)件成形方法及產品。環(huán)形坯料可通過燒結工藝制備，其截面形狀可自由設計，并在后續(xù)的軋制成形中經修形、改性減少燒結缺陷并均勻組織，確保環(huán)件力學性能最優(yōu)。燒結?軋制短流程環(huán)件成形方法具體包括：燒結工藝制定、環(huán)形坯料燒結、環(huán)件軋制成形，旨在得到目標形狀及尺寸、組織均勻且性能優(yōu)異的非連續(xù)體增強鈦基復合材料環(huán)形件。通過本發(fā)明提出的燒結?軋制短流程環(huán)件成形方法，可解決傳統(tǒng)環(huán)件軋制成形中道次多、工序長、溫降和累計變形量大等導致塑性差、成形困難的復合材料環(huán)形坯料易開裂致使成形失敗的難題。

技術研發(fā)人員：唐學峰,胡飛飛,王新云,鄧磊,金俊松,龔攀,張茂
受保護的技術使用者：華中科技大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/21