[发明专利]一种双相原位纳米增强钛基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种双相原位纳米增强钛基复合材料及其制备方法，该制备方法基于钛/铝、钛/硅间的原位反应特性，利用激光选区熔化制造技术，通过高能激光束的高温诱导作用，促进钛/铝、钛/硅间的化学作用，原位生成Ti₃Al和Ti₅Si₃纳米增强相；通过工艺条件的优化，调控微区熔池内纳米增强相的流动特性，促使纳米增强相在钛合金基体中均匀分散，进而获得Ti₃Al和Ti₅Si₃双相纳米陶瓷原位分散增强钛基复合材料。本发明的制备方法工艺方法简单、成本低廉，有利于形成良好的陶瓷/钛合金冶金结合界面，显著增强陶瓷/钛合金界面的润湿性能；同时，均匀弥散分布于钛合金基体上的双纳米增强相能有效提升钛基复合材料的综合性能。

技术领域

本发明涉及高性能钛基纳米复合材料及其制备方法，特别涉及一种双相原位纳米增强钛基复合材料及其制备方法。

技术背景

钛合金因其具有密度低、比强度高、耐蚀性强、良好的生物相容性等特点，被广泛应用于航空、航天、船舶与海洋工程、生物医疗等领域。然而单一钛合金难以满足使用要求。陶瓷颗粒具有硬度高、强度高、优异的耐磨性耐蚀性，是当前钛基复合材料的较理想的增强体，可显著提升钛合金的比强度、抗磨损等服役性能。其中，纳米陶瓷颗粒具有比表面积大、优异的力学性能以及显著的尺寸效应，采用纳米陶瓷颗粒作为增强相来提高金属基体的强度，同时还能保持金属材料的塑性，因此，特别有望获得双相或多相纳米陶瓷增强钛合金复合材料。

通常情况下，纳米颗粒增强钛基复合材料中增强相的加入可以分为外加法与原位生成法。

外加法主要有机械合金化、粉末冶金、喷射成型和一些铸造的方法，其原理主要是将硬质的陶瓷增强相加入到熔融或粉末状的基体材料中，从而提高钛合金的综合性能。外加法主要存在以下不足：(1)增强相颗粒是预先制得的，尺寸相对较大，对于纳米陶瓷颗粒通常易团聚，难以有效分散；(2)纳米陶瓷增强体具有较强的活性，易受污染，进而降低与钛合金熔体间的润湿性能；(3)相对于微米陶瓷颗粒，纳米陶瓷颗粒成本较高。

目前，利用原位反应法制备钛基纳米复合材料的主要途径有熔炼法、粉末冶金法、自蔓延高温合成法、快速凝固法等。这些方法一定程度上增强了陶瓷与钛合金基体间的润湿性能，但也存在以下技术难题：(1)通常情况下，借助于原位反应生成的陶瓷需要较高的加工温度，特别是双相纳米陶瓷颗粒的生成，更易造成诸如熔炼、粉末冶金等传统制备工艺带来的成形温度高、模具成本高、能源消耗大；(2)现有的真空熔炼、粉末冶金等制备工艺仅依靠宏观的机械或电磁搅动，难以有效分散原位生成的纳米陶瓷增强相，易带来陶瓷相的团聚及晶粒粗大，造成材料性能的下降；(3)单一制备工艺如熔铸法或粉末冶金法等均无法获得尺寸形状与性能匹配的产品，通常需二次成形加工(挤压、锻造等)工艺辅助成形，而高硬度、高强度的陶瓷颗粒加入到较软的钛合金基体中，其加工性能逐渐变差，与此同时，高脆性陶瓷颗粒的引入，变形抗力急剧增大，高温变形易发生局部塑性流变，难以成形几何结构较为复杂的构件，显著增大钛基复合材料热二次加工的难度。

发明内容

发明目的：为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双相原位纳米增强钛基复合材料，原位生成几何结构较为复杂的Ti₃Al和Ti₅Si₃双相纳米陶瓷相弥散增强钛合金复合材料，力学性能大幅提升。

本发明还提供一种用于制备双相原位纳米增强钛基复合材料的方法，能够实现对微区(<100μm)内双相纳米陶瓷颗粒均匀分布的调控，且实现对于复杂结构钛合金构件的精密成形，无需成型模具及二次加工，同时也降低能源消耗，从而能够制备出具有提升的抗拉强度、摩擦性能等综合力学性能的钛基复合材料。

技术方案：本发明所述的双相原位纳米增强钛基复合材料，其特征在于，包括钛合金基体以及原位分散于钛合金基体上的Ti₃Al与Ti₅Si₃纳米增强相。