一种基于原位tic表面强化钛及钛合金零部件的制备方法
技术领域
1.本发明属于工程材料领域，提供了包括注射成形及凝胶注模成形等多种成型方式制备原位tic表面强化钛及钛合金零部件的制备方法。


背景技术：

2.钛及钛合金密度低，比强度、比断裂韧性高，有较好的抗氧化性和耐腐蚀性，低温韧性和抗裂纹扩展能力优异，是一种具有巨大潜力的结构材料。目前，钛合金较多被应用在航空航天和军事工业上，包括军用飞机、民用飞机、航空发动机、航天器、人造卫星壳体连结座、高强螺栓、燃料箱、弹头壳体、发动机的叶轮盘等，随着现代科学技术的发展，除了钛合金轻质高强外，还对钛材的耐磨性提出了更高的要求。
3.目前，大多数金属表面处理方法都可应用到钛合金的表面处理上，包括金属电镀、化学镀、热扩散、阳极氧化、热喷涂、低压离子工艺、电子和激光的表面合金化、非平衡磁控溅射镀膜、离子氮化、pvd法制膜、离子镀膜、纳米技术等，然而，由于钛或钛合金基体表面有一层致密的氧化物膜，后处理的方法不易进行。如果能在钛零件表面形成致密氧化膜前对钛合金表面进行强化处理，高效低成本。其中，tic颗粒具有优异的耐磨性，且线膨胀系数与钛基体(9.41-10.03)
×
10-6
/k相近，是常用的耐腐增强相。一般可通过外加或原位合成的方式制备获得tic强化的钛基材料，其中原位合成法则是利用基体与增强相先驱体发生化学反应原位合成细小增强相，最终获得高性能钛基复合材料。与前者相比，该方法制备的材料中增强相热稳定性好，高温下不易分解；增强相与基体界面结合良好无污染，增强体尺寸和分布在一定程度上可控。但是，tic强化的钛基材料表面硬度大幅度提高，带来难切削加工难题，使得获得复杂形状tic强化的钛基零部件困难，生产高。因此，如何实现原位tic表面强化复杂形状钛及钛合金零部件是目前的研究难点之一。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于原位tic表面强化钛及钛合金零部件的制备方法，将近净成形技术与原位合成技术结合，利用注射成形或凝胶注模成形工艺直接成形复杂形状钛合金坯体，脱脂后钛合金坯体中的有机粘结剂被脱除，此时坯体不致密，再在表面刷覆墨汁，烧结过程中表面刷覆墨汁中的碳与钛基体反应，在表面原位生成细小均匀的tic颗粒，并实现烧结致密化，最终直接获得原位tic强化的复杂形状钛及钛合金零部件。通过在钛材料复杂成形后烧结前(钛还未发生高温氧化时)对结构件表面进行沾墨处理，其在后续的烧结过程中会与表面钛反应生成耐磨相tic，使其烧结致密化的同时也实现零件表面强化，并省去了后续通过切削加工。一方面实现了钛基材料的表面强化，另一方面几乎未增加多余步骤，极大简化了表面处理工艺，既有工艺简单、降低成本的优势，同时便于实现自动化生产线。
5.为了获得所需的基于原位tic表面强化钛及钛合金零部件，其特征在于，制备步骤如下：
6.(1)成形料制备：将钛原料粉末和粘结剂根据成型需求按比例混合，采用密炼或球
磨方式进行混料，混料时间0.5～2h，获得均匀的成形料；
7.(2)坯体成型：将步骤(1)中的成形料按照目标形状要求选择注射成形或凝胶注模成形进行成型得到坯体；
8.(3)脱脂：将步骤(2)中的坯体在250～650℃下进行脱脂，脱脂气氛为高纯氩气，保温2～6h，得到脱脂坯体；
9.(4)坯体表面处理：在步骤(3)中的脱脂坯体表面刷覆墨汁2～10层，并在室温下干燥10～30min；
10.(5)真空烧结：将步骤(4)中刷覆墨汁的坯体在真空烧结炉中进行真空烧结，真空度为10-3
pa～10-1
pa，烧结温度为1100～1300℃，保温100～300min，冷却后得到原位tic表面强化复杂形状钛及钛合金零部件。
11.进一步地，步骤(1)中所述的钛原料粉末为市售的各种牌号钛粉或钛合金粉，粉末粒度10～100μm，纯度》99.5％。
12.进一步地，步骤(1)中所述的粘结剂为注射成形用粘结剂或凝胶注模成形用粘结剂，所述的成形料的固含量为50～65vol.％。
13.进一步地，步骤(2)中所述的成型方式为注射成形，所述步骤(2)中具体步骤如下：
14.1)将成形料放进破碎造粒机进行破碎造粒，得到注射用喂料；
15.2)将注射用喂料在160～200℃，10mpa～50mpa压力下进行注射成形，保压5～10s，脱模后得到复杂形状注射坯体；
16.3)将注射坯体进行酸脱或溶脱处理，得到坯体。
17.进一步地，步骤(2)中所述的成型方式为凝胶注模成形，所述步骤(2)中具体步骤如下：
18.1)在成形料中加入0.01～0.05wt.％的过氧化苯甲酰(bpo)和0.01～0.1wt.％油酸，搅拌均匀，获得悬浮浆料；
19.2)将悬浮浆料倒入硅胶或橡胶包套中，在室温下固化5～30min后，在40～70℃下干燥4～10h；
20.3)将干燥后的坯体从包套中取出，得到复杂形状坯体。
21.本发明的技术关键点在于：(1)将近终成形与表面原位颗粒强化结合，直接在复杂形状脱脂坯体表面刷覆碳源，实现复杂形状零部件烧结致密化的同时又原位生成tic强化颗粒，不需要后续切削加工；(2)提出在脱脂后的坯体上刷覆墨汁，利用脱脂后坯体不致密的特性，刷覆的墨汁可渗入到坯体表面内0.1～2mm，在烧结过程中与基体原位反应，起到表面强化作用，基体与tic颗粒界面结合强度高，分布均匀，又不会因脆性颗粒存在影响材料塑性，在不降低塑性的情况下提高了材料的耐磨性和硬度，这是传统工艺无法突破的技术关键。
22.本发明的优点：
23.1、采用注射成形或凝胶注模成形方式直接近终成形制备复杂形状的钛合金零部件，提高了材料利用率，降低加工成本。
24.2、结合这两种近终成形技术的工艺特点，将坯体进行脱脂，脱除体系中的有机物，得到不致密的复杂形状坯体，再刷覆墨汁，在表面张力的作用下渗入至坯体表层内部，碳与钛基体原位反应，生成细小均匀的tic强化颗粒。
25.3、最终的零部件兼具高塑性与高耐磨性，表面tic颗粒有效提高材料的耐磨性和硬度，而材料内部仍表现出钛或钛合金的高塑性，同时还直接成形出复杂形状的高塑高耐磨的零部件。
26.4、工艺流程成熟，表面处理工艺过程简单，可以明显改善钛基材料的表面硬度，同时加工制造成本低。
具体实施方式
27.实施例1：
28.制备一种基于tic表面强化钛合金零部件的制备方法。按如下步骤制备：
29.(1)将纯度为99.8％，粒度为100μm的tc4钛合金粉与hema单体、mbam、甲苯溶剂按一定比例混合，其中混合粉占55vol.％，hema占17vol％，mbam占0.8vol.％，余量为溶剂，进行球磨混料，混料0.5h，获得均匀的悬浮浆料；
30.(2)在悬浮浆料中加入0.02wt.％的bpo和0.05wt.％油酸，均匀搅拌，获得所需的成形浆料；
31.(3)将悬浮浆料倒入硅胶包套中，在室温下固化10min后，在50℃下干燥4h，干燥后的坯体从包套中取出，得到复杂形状坯体；
32.(4)将注射坯体置于脱脂炉中在高纯氩气下300℃保温2h，再在600℃保温3h，得到脱脂坯体；
33.(5)在脱脂坯体刷覆2层墨汁，并在室温下干燥15min；
34.(6)将刷覆墨汁的坯体放入真空烧结炉中加热至1150℃，保温200min，真空度10-3
pa，冷却后得到原位tic表面强化复杂形状钛合金零部件。
35.实施例2：
36.制备一种tic表面强化钛零部件的制备方法。按如下步骤制备：
37.(1)将球形钛粉与粘结剂按一定比例混合，粉末粒度为40μm，其中混合粉占62vol.％，粘结剂占38vol.％，粘结剂由石蜡：聚丙烯：硬脂酸＝60：25：15体系组成，在密炼机中进行混炼，混炼温度为180℃，时长60min，然后将混合料放进破碎造粒机进行破碎造粒，然后得到注射用喂料；
38.(2)将注射用喂料在180℃，50mpa压力下进行注射成形，保压5s，脱模后得到注射坯体；
39.(3)将注射坯体置于脱脂炉中60℃保温10h，在三氯乙烯中进行溶脱，取出晾干得到脱脂坯体；
40.(4)在脱脂坯体表面刷覆沾3层墨汁，并在室温下干燥30min；
41.(5)将刷覆墨汁的坯体置于真空烧结炉中，真空度10-2
pa，烧结温度为1200℃，保温120min，冷却后得到原位tic表面强化的复杂形状钛零部件。