[发明专利]一种三维球团复合构型TiB增强TMCs及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三维球团复合构型TiB增强TMCs及其制备方法，按照质量百分比由以下组分组成：含硼钛基球形复合粉末94wt.％～99wt.％，铝粉的含量为1wt.％～6wt.％，以上组分的质量百分比之和为100％；含硼球形钛基复合粉中的TiB含量为2～5wt.％。所述方法涉及一种原位反应和粉末冶金相结合的制备方法：利用气雾化法制备的含硼钛基球形复合粉末与铝之间的反应并固化烧结制备强韧性可调控的三维球团状结构分布的TiB增强TMCs。其球团间距、球团数量是可控的，通过对该复合构型的设计和调控，可在提升TMCs强度的同时，并保持良好塑性。

技术领域

本发明属于金属基复合材料领域，涉及一种三维球团复合构型TiB增强钛基复合材料(TMCs)，还涉及上述TMCs的制备方法。

背景技术

非连续增强钛基复合材料(DRTMCs)具有高比强度、比模量，耐腐蚀，良好的高温力学性能和各向同性等优点，在汽车器械、海洋设备、医疗器械、航空航天、军事等领域有广阔的应用前景。近年来，采用熔铸法或粉末冶金法通过原位反应自生技术制备DRTMCs，被认为是最佳的制备方法而广泛使用。硼化钛(TiB)具有低密度(4.56g/cm³)、高熔点(2200℃)、高模量(371GPa)等优点，并且与钛在热力学上相容，密度相近，热膨胀系数相差不到50％，两者具有良好的物理化学相容性，故原位自生的TiB被视为TMCs最理想的增强相之一。

在DRTMCs传统制备过程中，大部分研究人员通常追求增强相在基体中的均匀分布，越来越多的研究表明增强相均匀分布的DRTMCs仅表现出有限的增强效果和较差的塑韧性水平(El≈1％)，特别是粉末冶金制备的DRTMCs表现出很大的室温脆性，这是由于均匀分布的增强相在提升材料强度的同时破坏了基体的连通性，导致材料在增强相与基体界面处易产生应力集中，严重影响材料的塑韧性，极大地限制了TMCs在航空航天、军事等领域的应用。

研究表明，改变增强相分布状态，不仅可解决粉末冶金法制备DRTMCs塑韧性差的问题，还可以进一步提高DRTMCs的增强效果。黄陆军等人基于增强相非均匀分布结合H-S理论与晶界强化理论设计出一种增强相呈准连续网状分布的复合构型，该构型相比传统增强相均匀分布的TMCs表现出更优异的综合力学性能。由此可见，基于增强相非均匀分布的复合构型设计可成为改善传统DRTMCs塑韧性的重要途径。

因此，本发明针对传统增强相均匀分布的DRTMCs塑韧性较差的缺点，设计了一种具有新型三维球团状结构复合构型的TiB增强TMCs，该材料以含硼钛基复合粉末为主体，加入不同含量的铝，通过粉末冶金的方法制备出具有三维球团状复合构型的TiB增强TMCs，该复合材料其球团间距、球团数量及直径均可调控，并通过对该复合构型的设计和调控，在提升复合材料力学性能和硬度及耐磨性能等综合性能的基础上，改善TMCs的塑韧性。此外，本发明具有制备方法简单，成本低等特点。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种三维球团复合构型TiB增强TMCs，该复合材料其球团间距、球团数量以及直径是可控的。

本发明的第二个目的在于提供上述TMCs的制备方法。

本发明所采用的第一种技术方案是：一种三维球团复合构型TiB增强TMCs，按照质量百分比由以下组分组成：含硼钛基球形复合粉末94wt.％～99wt.％，铝粉的含量为1wt.％～6wt.％，以上组分的质量百分比之和为100％；

含硼球形钛基复合粉中的TiB含量为1～5wt.％。

本发明所采用的第一种技术方案的特点还在于，

含硼钛基复合粉末粒径为15μm～200μm；铝粉的粒径为20μm～30μm。

复合材料为三维球团状结构，三维球团状结构的物相组成为Ti和TiB，TiB为晶须状，球团结构的大小为15μm～200μm；球团外层结构物相组成为Ti，其间距为40μm～60μm。