[发明专利]一种两级网状结构钛基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种网状结构钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

钛合金因其特有的性能被广泛的应用于航空、航天、航海、汽车、武器装备等领域。然而，受自身组织结构的限制，其耐磨性、耐热性及强度都有待进一步提高。近年来，以钛合金为基体，以不同方式在钛合金基体中引入陶瓷增强相，获得的非连续增强钛基复合材料(Discontinuously Reinforced Titanium Matrix Composites，简称DRTMCs)受到广泛关注。与钛合金相比，DRTMCs表现出更优异的强度、模量、耐磨性、耐热性及服役温度等性能。但是，采用粉末冶金法制备增强相完全均匀分布的钛基复合材料，不仅成本高、而且工艺复杂、周期较长，制备的增强相均匀分布钛基复合材料的脆性仍然较大。发明人曾经根据Hashin-Shtrikman(H-S)理论与晶界强化理论，设计并制备的一级网状结构TiBw/Ti复合材料(ZL200810136852.8)，表现出优异的综合性能，在一定程度上解决了粉末冶金法制备DRTMCs脆性大的瓶颈问题。但该类方法制备的增强相只分布在钛粉颗粒周围形成一级网状结构(如ZL200810136852.8、ZL200910071986.0)，由于增强相仅分布在网状结构界面处；所以，增强效果的提升受到一定程度的限制。

发明内容

本发明是为了进一步的提高非连续增强钛基复合材料的力学性能，而提供的一种两级网状结构钛基复合材料及其制备方法。

本发明两级网状结构钛基复合材料以SiC为增强体原料，以α+β双相钛合金为基体；并具有两级网状结构，一级网状结构位于晶界处，由TiC+Ti₃SiC₂混杂增强体形成；二级网状结构位于晶内β相中，由Ti₅Si₃陶瓷相构成。

上述两级网状结构钛基复合材料按以下步骤制备：

一、将增强体原料SiC和基体α+β双相钛合金粉末进行球磨混粉；

二、热压烧结：将混好的复合粉末装入抽真空的密闭容器中进行热压烧结，即得到两级网状结构钛基复合材料。

本发明两级网状结构钛基复合材料中TiC+Ti₃SiC₂混杂增强体位于晶界处，形成了一级连续网状结构；由于纳米级SiC颗粒的Si元素固溶进入晶内，冷却时在晶内β相中析出Ti₅Si₃陶瓷相，因β相分布在α相周围呈网状分布，所以Ti₅Si₃陶瓷相形成的网状结构分布在α相周围，形成二级网状结构。本发明(TiC+Ti₃SiC₂+Ti₅Si₃)/Ti两级网状结构钛基复合材料成功地在较软的β相中以网状的形式引入了硬质陶瓷增强体，形成了两级网状结构钛基复合材料，进一步的提高了钛基复合材料的室温模量、强度及耐热性，充分发挥了网状结构的增强效果。

本发明两级网状结构钛基复合材料的制备方法简单，稳定性、可控性强。

本发明(TiC+Ti₃SiC₂+Ti₅Si₃)/Ti两级网状结构钛基复合材料经室温与高温拉伸性能测试，结果表明(TiC+Ti₃SiC₂+Ti₅Si₃)/Ti两级网状结构钛基复合材料比TiBw/Ti合金基复合材料(ZL200810136852.8)和高温抗氧化-TiCp/Ti合金基复合材料(ZL200910071986.0)具有更高的增强效果。以3vol.％增强体含量为例，一级网状结构TiCp/TC4复合材料的抗拉强度达到980MPa，一级网状结构TiBw/TC4复合材料抗拉强度达到1035MPa(Scripta Materialia 64(2011)844-847)，而两级网状结构(TiC+Ti₃SiC₂+Ti₅Si₃)/TC4复合材料抗拉强度达到1150MPa，且仍然保持与一级网状结构TiBw/TC4复合材料相近的延伸率。

附图说明