一種兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種Ti基復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] Ti合金具有低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度，良好的抗疲勞、抗腐蝕以及高溫力學(xué)性 能。作為結(jié)構(gòu)材料可應(yīng)用到航天航空、化學(xué)、交通運(yùn)輸以及醫(yī)藥工程等。然而受其自身組織 結(jié)構(gòu)限制，其耐磨性、耐熱性及強(qiáng)度都有待提高。與Ti合金相比，鈦基復(fù)合材料（TMCs)因具 有更加優(yōu)異的性能而越來(lái)越受到關(guān)注，尤其是原位自生方法制備的非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材 料（DRTMCs)具有更高的強(qiáng)度、模量、耐磨性及耐熱性等優(yōu)異性能，在航空、航天、汽車(chē)工業(yè)、 武器裝備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 以往粉末冶金法制備的增強(qiáng)相均勻分布的鈦基復(fù)合材料，雖然強(qiáng)度得到一定提 高，然而塑性卻大大降低。根據(jù)Hashin-Shtrikman(H-S)理論與晶界強(qiáng)化理論，設(shè)計(jì)制備的 一級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiBw/Ti合金基復(fù)合材料（ZL200810136852. 8)，不僅有效改善了鈦基復(fù)合材 料的塑性，還提高了其室溫及高溫強(qiáng)度水平，解決了粉末冶金法制備DRTMCs脆性大的瓶頸 問(wèn)題。然而因原料本身的特性，即使采用不同的原料，所制備的增強(qiáng)相只能分布在鈦粉顆 粒周?chē)纬梢患?jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（ZL200810136852. 8)，而在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的基體中幾乎沒(méi)有增強(qiáng) 相。由于上述網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)相僅分布在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)界面處，在晶內(nèi)尤其是雙相鈦合金較軟 的β相中沒(méi)有增強(qiáng)相分布，因此增強(qiáng)相含量受到限制，增強(qiáng)效果有限。
[0004] 兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料（ZL201410624454. 6)實(shí)現(xiàn)了在鈦合金顆粒內(nèi)部與周 圍均引入增強(qiáng)相，形成兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；但是必須采用納米SiC顆粒。納米SiC顆粒價(jià)格昂貴， 且不易分散；加之除Ti 5Si3增強(qiáng)相以外，其它增強(qiáng)相均以顆粒狀分布在一級(jí)網(wǎng)狀處，容易形 成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)效果受限，特別對(duì)鈦基復(fù)合材料的塑性不利。同時(shí)，一級(jí)網(wǎng)狀處的 增強(qiáng)相（Ti 3SiC2+TiC)與鈦合金顆粒內(nèi)部形成的二級(jí)網(wǎng)狀處的增強(qiáng)相（Ti5Si 3)之間的比例 固定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的調(diào)控。并且以上鈦基復(fù)合材料都不能通過(guò)熱處理改變?cè)鰪?qiáng)相的 形貌與尺寸，熱處理僅能改變基體組織；因此，熱處理對(duì)上述鈦基復(fù)合材料的力學(xué)性能改善 效果有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料必須采用納米SiC顆粒，分散 性差，塑性較差，一級(jí)網(wǎng)狀處增強(qiáng)相與二級(jí)網(wǎng)狀處增強(qiáng)相的比例固定、力學(xué)性能無(wú)法調(diào)控， 不能通過(guò)后續(xù)的熱處理改變?cè)鰪?qiáng)相的形貌與尺寸等問(wèn)題；而提供的一種兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti 基復(fù)合材料及其制備方法。
[0006] 本發(fā)明兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti基復(fù)合材料具有兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；TiBw增強(qiáng)相位于鈦合金 基體邊界處，構(gòu)成一級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；Ti 5Si3增強(qiáng)相位于鈦合金基體晶內(nèi)β相中、在α相周?chē)?形成二級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；
[0007] 其中，以微米級(jí)Si顆粒與微米級(jí)TiB2顆粒為增強(qiáng)相原料，以α+β雙相鈦合金為 基體原料。
[0008] 上述兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti基復(fù)合材料按以下步驟制備：
[0009] -、將增強(qiáng)體原料微米級(jí)Si顆粒、微米級(jí)TiB2顆粒和基體α + β雙相鈦合金粉末 進(jìn)行球磨混粉；
[0010] 二、熱壓燒結(jié)：將混好的復(fù)合粉末裝入抽真空的密閉容器中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，即得到 兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料。
[0011] 本發(fā)明采用微米級(jí)Si顆粒與微米級(jí)TiB2顆粒作為增強(qiáng)相原料大幅度降低了原料 成本，解決了增強(qiáng)相顆粒團(tuán)聚的問(wèn)題。
[0012] 本發(fā)明方法制備過(guò)程中1182與Ti反應(yīng)生成銷(xiāo)釘狀TiB晶須增強(qiáng)相，銷(xiāo)釘狀TiB晶 須增強(qiáng)相能夠連接相鄰基體顆粒，加之TiB向基體顆粒內(nèi)部生長(zhǎng)，不僅僅是只分布在網(wǎng)狀 界面處，因此可以提高增強(qiáng)效果與塑性水平。
[0013] 本發(fā)明兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti基復(fù)合材料在一級(jí)網(wǎng)狀內(nèi)部定量引入Ti5Si3增強(qiáng)相，進(jìn)一 步提高了 TMCs的室溫模量、強(qiáng)度及高溫強(qiáng)度，充分發(fā)揮了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)效果。
[0014] 本發(fā)明產(chǎn)生的增強(qiáng)相不同于原位自生反應(yīng)形成的增強(qiáng)相，熱壓燒結(jié)過(guò)程中Si在 高溫下固溶到鈦合金高溫β相中，在降溫過(guò)程中隨著溫度的降低溶解度降低，加之大量β 相鈦合金轉(zhuǎn)變?yōu)棣料噔伜辖?，溶解度進(jìn)一步降低，從而針狀Ti5Si3增強(qiáng)相被析出，并分布在 轉(zhuǎn)變剩余的β相中，由于α相呈近似等軸狀，β相分布在α相周?chē)?，因此降溫析出的?狀Ti 5Si3增強(qiáng)相圍繞α相形成二級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
[0015] 本發(fā)明兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti基復(fù)合材料中一級(jí)網(wǎng)狀處的TiBw與二級(jí)網(wǎng)狀處的Ti5Si 3 分別由兩種不同的原料形成，因此可以任意調(diào)控兩種增強(qiáng)相的比例，以獲得不同特點(diǎn)的力 學(xué)性能。另外，由于Ti5Si 3不是原位自生形成，而是通過(guò)溶解度降低析出的；所以，可以通過(guò) 后續(xù)熱處理調(diào)控其形貌與尺寸，以實(shí)現(xiàn)其力學(xué)性能的調(diào)控。因此，本發(fā)明兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti 基復(fù)合材料（TiBw+Ti5Si3)/Ti不僅可以大大提高鈦基復(fù)合材料的室溫與高溫強(qiáng)度，而且可 通過(guò)多方面調(diào)控其力學(xué)性能。
[0016] 與現(xiàn)有的兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（TiC+Ti3SiC2+Ti 5Si3)/Ti復(fù)合材料相比，本發(fā)明降低了成 本、改善了增強(qiáng)相分布、實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)相相對(duì)含量的調(diào)控與增強(qiáng)相熱處理調(diào)控，獲得了調(diào)控范 圍更寬、綜合力學(xué)性能更高的鈦基復(fù)合材料。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是實(shí)施例1制備出的兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti基復(fù)合材料的低倍SEM照片。
[0018] 圖2是實(shí)施例1制備出的兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti基復(fù)合材料的高倍SEM照片。
[0019] 圖3是實(shí)施例1制備出的兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti基復(fù)合材料經(jīng)后續(xù)熱處理后的高倍SEM 照片。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的 任意組合。
[0021]
【具體實(shí)施方式】一：本實(shí)施方式兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti基復(fù)合材料具有兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)； TiBw增強(qiáng)相位于鈦合金基體邊界處，構(gòu)成一級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；Ti5Si3增強(qiáng)相位于鈦合金基體晶 內(nèi)β相中、在α相周?chē)纬啥?jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；
[0022] 其中，以微米級(jí)Si顆粒與微米級(jí)TiB2顆粒為增強(qiáng)相原料，以α + β雙相鈦合金為 基體原料。
[0023] 本實(shí)施方式根據(jù)設(shè)計(jì)中TiBw增強(qiáng)相位和Ti5Si3增強(qiáng)相所占體積比換算出Si顆 粒、TiB2顆粒與鈦合金粉末的質(zhì)量比，然后稱(chēng)取鈦合金粉末與Si顆粒、TiB2顆粒進(jìn)行球磨 混粉。
[0024] 本實(shí)施方式兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Ti基復(fù)合材料被稱(chēng)為兩級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（TiBw+Ti5Si 3)/Ti 復(fù)合材料。
[0025] 本實(shí)施方式中??！^"增強(qiáng)相能有效強(qiáng)化內(nèi)部基體。
【具體實(shí)施方式】 [0026] 二：本實(shí)施方式與一的不同點(diǎn)是：Si顆粒的粒徑為 1~10 μm。其它與實(shí)施方式一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0027] 三：本實(shí)施方式與一或二的不同點(diǎn)是：1182顆粒的粒 徑為1~10 μ m。其它與實(shí)施方式一或二相同。
【具體實(shí)施方式】 [0028] 四：本實(shí)施方式與一至三之一的不同點(diǎn)是：α +β雙 相鈦合金為！^4、1^6、1'(：11、1'(：17或1^21。其它與實(shí)施方式一至三之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0029] 五：本實(shí)施方式與一至四之一的不同點(diǎn)是：α+β雙 相鈦合金的粒徑50~300 μ m。其它與實(shí)施方式一至四之一相同。
[0030]
【具體實(shí)施方式】六：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一的不同點(diǎn)是：兩級(jí)網(wǎng)狀 結(jié)構(gòu)Ti基復(fù)合材料中TiBw增強(qiáng)相含量為Ivol. %~15vol. %。其它與實(shí)施方式一至五之 一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0031] 七：本實(shí)施方式與一至六之一的不同點(diǎn)是：兩級(jí)網(wǎng)狀 結(jié)構(gòu)Ti基復(fù)合材料中Ti 5Si3增強(qiáng)相含量為Ivol. %~10vol. %。其它與實(shí)施方式一至六 之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [