[发明专利]一种原位纳米多相复合强韧化钛基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种原位纳米多相复合强韧化钛基复合材料及其制备方法，该方法结合钛‑铝‑硅‑氮间交互耦合原位热力学反应条件，利用激光选区熔化高能激光束的微区高温特性，在钛合金基体上原位反应合成多相高强度Ti₃Al、TiN、AlN及自润滑Si₃N₄纳米增强相；通过对微区熔池热/力耦合行为的精确调控，获得多相纳米陶瓷原位分散增强钛基复合材料。本发明的制备方法简单，可直接获得具有良好冶金结合的陶瓷/钛合金界面，大幅改善陶瓷/钛合金界面的润湿性能；另一方面，通过一步法原位合成的均匀分散的多相纳米增强相能显著提升钛基复合材料的综合性能。

技术领域

本发明涉及高性能金属基纳米复合材料及其制备方法，特别涉及一种原位纳米多相复合强韧化钛基复合材料及其制备的方法。

技术背景

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属材料，被誉为“太空金属”及“第三金属”等。因具有比强度高、耐热、耐腐蚀以及良好的低温性能等特点，钛及钛合金被广泛应用于医疗、机械、冶金、航空、航天等领域。而随着工业的不断发展及国家重大工程的实施，对钛合金构件的性能也相应提出了更高的性能要求，导致单一钛合金已无法满足其构件的服役性能需求，具体表现在硬度低(纯钛硬度仅为100HV)、强度低、耐磨性能差(摩擦系数高，且易与其它材料发生粘着磨损)等不足。通常情况下，陶瓷颗粒具有硬度高、强度高、优异的耐磨性耐蚀性，是钛合金较理想的增强体，可将钛合金良好的延展性、韧性与陶瓷颗粒高强度、高模量结合起来，以显著提升钛合金的比强度、抗磨损等服役性能。

纳米陶瓷颗粒具有比表面积大、较高的强度及显著的尺寸效应，纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料不仅可通过阻碍位错运动提高金属基体的强度，同时大量晶界的存在还能保持金属材料的塑性。因此，纳米陶瓷增强钛基复合材料比传统钛基复合材料有更优异的性能。当前，按增强体生成方式分类，可将纳米陶瓷增强钛基复合材料分为外加法和原位合成方法。

在外加法制备技术中，预先制备的纳米陶瓷增强相以颗粒状态直接加入基体钛中，但因传统的合成技术及生产成本的限制，陶瓷增强相多为微米级。即使有少数纳米级陶瓷增强相的问世，但也存在以下不足，具体表现为以下几方面：(1)纳米陶瓷颗粒在钛合金熔体中易团聚，难以有效分散，造成性能差异大；(2)高比表面的纳米陶瓷增强体具有较强的表面活性，易吸附空气中杂质而被污染，进而降低与钛合金熔体间的润湿性能；(3)相对于真空熔炼、粉末烧结等传统工艺制备的微米尺度陶瓷颗粒，纳米陶瓷颗粒的成本较高。

原位合成技术当前主要包括熔炼法、粉末冶金法、自蔓延高温合成法、快速凝固法等技术为当前原位纳米陶瓷增强钛基复合材料的主流技术。这些工艺方法制备的陶瓷颗粒增强钛基复合材料在一定程度上提升了钛合金的力学性能，但也为后续高性能钛基复合材料构件的精密制造带来较大困难，如，刀具磨损大、材料脆性增大等。与此同时，诸如采用熔炼、粉末冶金等传统制备工艺成形纳米陶瓷颗粒增强钛基复合材料的加工温度高、模具成本昂贵、能源消耗大，同时易产生夹渣、气孔等缺陷的产生，为裂纹的萌生创造了条件，进而导致其性能的下降。另一方面，在利用粉末烧结传统工艺制备纳米陶瓷颗粒增强钛基复合材料过程中，原位生成的高比表面纳米陶瓷在高温钛合金熔体中易团聚，难以有效分散于钛合金基体中，易导致材料性能的不均匀。再者，随着航空、航天、深空及深海领域重大计划的实施，钛合金构件的尺寸和复杂性均不断地增加，且大幅增加高强度钛合金的用量，导致采用传统热加工和机械加工进行复杂构件的整体化制造变得非常困难，通常需二次成形工艺(机械加工、挤压等)加以辅助成形，而颗粒增强钛基复合材料因高强度陶瓷颗粒的存在，使其加工难度急剧增加。

发明内容

发明目的：为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种原位纳米多相复合强韧化钛基复合材料，具有均匀分散的原位生成的高比表面纳米陶瓷增强相和良好冶金结合的陶瓷/钛合金界面。