[发明专利]TiC短纤维增强钛基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域的制备方法，具体涉及一种TiC短纤维增强钛基复合材料及其制备方法。 

背景技术

钛基复合材料是指在钛或钛合金中引入增强体的一种复合材料。它把基体的延展性、韧性与增强体的高强度、高模量结合起来，从而获得比钛或钛合金更高的比强度、比刚度和抗高温性能，有望应用在超高音速宇航飞行器和先进航空发动机上。 

为了更好发挥钛基复合材料的潜力，在金属基复合材料中，增强体的尺寸、分布和形态对增强效果有着极为重要的影响，因此增强体的选择至关重要。TiC和TiB的熔点很高，在钛中是稳定向，且与钛相容性好，不发生界面反应，泊松比相近，密度也相差不大，热膨胀系数差控制在50％以下(钛的热膨胀系数为9～10.8×10^-6/K)，可以显著降低材料制备过程中产生的热残余应力，此外，TiB和TiC的弹性模量为Ti的4～5倍，对材料性能的提高效率很高，因而是非连续增强钛基复合材料较为理想的增强体。中国专利申请(申请号为200710046913.7，公开号为CN101135016A，公开日为2008年3月5日)公开了一种Re₂O₃、TiB和TiC混杂增强钛基复合材料及其制备方法，该发明中增强体TiC可以明显改善钛基复合材料的硬度和耐磨性，提高幅度分别为1％～23％和1％～25％。 

TiB为短纤维状，其增强机制为短纤维承载断裂。而TiC在常温下属于NaCl型的面心立方结构，无论是几何结构还是化学键合上都是完全对称的，不存在优先生长的晶面，形核时TiC在对称晶面的生长速率相同，因此原位自生钛基复合材料中的TiC增强相一般为球状或等轴状，尺寸一般为几个微米或十微米左右。此外，在熔铸法合成的原位自生钛基复合材料中由于凝固过程中的成分过冷，会出现树枝晶的TiC，并且在热处理过程中有逐渐球化趋势。罗涛等人在《粉末冶金材料科学与工程》,2013,18(5):680-686,撰文“多组元原位合成TiC颗粒增强钛基复合材料”，该文介绍了多组元与Ti反应原位生成的TiC颗粒，呈等轴状或近等轴状。陶文煜等人在《热加工工艺》,2013,42 (14):90-92,撰文“不同(TiB+TiC)含量对颗粒增强钛基复合材料组织和性能的影响”，该文介绍了利用Ti与B₄C之间的自蔓延高温合成反应经普通的熔炼工艺制备TiB和TiC增强钛基复合材料，TiC增强体为等轴状和枝晶状。并且，在性能测试中极少观察到因承载而发生断裂的TiC颗粒，与TiC相比，TiB增强的效果更好，这主要是由于TiB的短纤维形态有利于承载。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种TiC短纤维增强钛基复合材料及其制备方法。本发明利用钛粉(Ti)与C纤维或石墨纤维之间的反应，简单快捷、低成本的制备出TiC短纤维分布均匀，并与基体界面良好的钛基复合材料。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

本发明涉及一种TiC短纤维增强钛基复合材料，所述复合材料中TiC短纤维体积分数控制在0.5％～25％，合金元素的重量百分比含量为0％～16％。 

优选地，所述合金元素为钛合金的合金化元素。包括Al、Sn、Zr、Mo、Nb、Si、C、V。 

本发明还涉及一种上述的TiC短纤维增强钛基复合材料的制备方法，所述方法包括如下骤： 

步骤一，按如下重量百分比含量称取各组分，混合均匀： 

C纤维或石墨纤维  0.01％～5.6％， 

合金元素  0～16％， 

余量为钛； 

步骤二，采用成形方法将混合均匀的各组分压制成具有预定外形的生坯； 

步骤三，将制备好的生坯放入真空烧结炉中进行烧结； 

步骤四，烧结完成后随炉冷却，即得所述TiC短纤维增强钛基复合材料。 

TiC短纤维是在真空烧结过程中按下列反应式生成的： 

Ti+C＝TiC。根据本发明制备的钛基复合材料，经热锻、热轧等二次加工后可以制备成各种型材，经模压成形能实现近净成形制备钛基复合材料构件。 

优选地，室温应用的复合材料，短纤维增强体的临界长径比为2，小于临界长径比的短纤维增强体不能承载，增强效果变差，所以，室温应用的复合材料材料加入的C纤维或石墨纤维的长径比大于3；高温应用的复合材料，短纤维增强体的临界长径比为4，所以，材料加入的C纤维或石墨纤维的长径比大于5。