[发明专利]一种定向排布TiB晶须增强钛基复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种定向排布TiB晶须增强钛基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料领域。所述方法先通过将纳米TiB₂粉和钛粉，或纳米TiB₂粉和钛合金粉球磨混合均匀；然后采用放电等离子系统对所述混合粉末进行烧结处理，得到复合材料块体；再将干燥的复合材料块体真空封装在石英管中，放入热处理炉内热处理，然后分步冷却得到所述复合材料。所述方法可以有效调控TiB晶须在钛基复合材料中的组织演变，充分解决了TiB晶须取向调控手段单一，热变形手段调控晶须形态导致晶须长径比大幅下降等问题。

技术领域

本发明涉及一种定向排布TiB晶须增强钛基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料领域。

背景技术

钛及钛合金是一种熔点约为1660℃，密度约为4.5g/cm³的难熔轻质金属，具有强度高、耐腐蚀、耐高温、耐低温、非磁性以及线胀系数小等许多优点，被人们称为“现代金属”、“太空金属”等。目前，钛及钛合金在飞机的发动机、骨架、蒙皮、紧固件以及起落架上均有大量使用。

然而，随着航空、航天以及机电等领域对高性能材料的需求不断提高，比如超高音速的飞行器及下一代高性能的航空发动机对轻质、高强和耐高温材料的需求，使现有的钛和钛合金的设计性能越来越不适应各种应用的要求。因此，钛基复合材料(TitaniumMatrix Composite,TMCs)出现并代替了现有的钛和钛合金，应用到上述要求较高的工业产品上。

TiB晶须增强钛基复合材料是钛基复合材料的一个分支。TiB晶须可同时满足以下条件：(1)强度、刚度和耐热性等物理及机械性能优异；(2)在基体中热力学稳定；(3)与基体线膨胀系数相差较小，界面结合稳定；(4)高温下增强相所含元素不溶入基体中。而且，可以通过钛以及钛合金与无定型硼(B)粉或硼化物，例如：TiB₂、B₄C等原位反应制备而成，避免引入其他杂质。因而，近20年来，TiB晶须增强钛基复合材料得到了广泛的研究，但是在TiB晶须/TMCs复合材料中TiB晶须的强化效果参差不一。大量研究表明，TiB晶须的强化效果与其微观形貌息息相关。以前的研究者们围绕TiB晶须增强的TMCs在反应体系设计、制备方法以及增强相的尺寸控制等方面开展了大量研究，但是针对TiB晶须排布方式调控及其对显微组织的影响研究很少。

哈尔滨工业大学的刘瑞锋等人采用试验和数值模拟相结合的方法研究了不同排布的晶须增强金属基复合材料热压缩变形行为，研究表明材料的应变行为与晶须取向角密切相关；中北大学的王连生等人应用二维平面模型和有限元分析方法研究晶须单向排列和随机排列时对复合材料力学性能的影响，结果表明：在晶须体积分数和外加应力相同的条件下，取向角θ的变化对应力应变集中系数有较大影响。而目前，针对TiB晶须/TMCs复合材料中晶须排布方式的调控手段仍然有限，主要是通过热轧或热挤压等变形加工手段使TiB晶须/TMCs复合材料中的TiB晶须取向随基体塑性变形逐渐统一。尽管最终材料力学性能有所提升，但是在变形过程中TiB晶须发生断裂，长径比大幅度下降。根据韩国学者Min YoungKoo的研究成果，TiB晶须相长径比的降低会引起增强相荷载转移强化效应下降，从而降低复合材料力学性能。因此，通过热变形加工手段调控TiB晶须排布方式不能够最大程度发挥TiB晶须的强化效果。

如何能在TMCs内原位制备出定向排布TiB晶须，同时维持TiB晶须细直径，高长径比的最优形态是目前各国学者所关心的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种定向排布TiB晶须增强钛基复合材料的制备方法，所述方法通过球磨、放电等离子烧结以及热处理相结合实现。

本发明的目的由以下技术方案实现。

一种定向排布TiB晶须增强钛基复合材料的制备方法，所述方法步骤如下：

(1)球磨粉末：