[发明专利]一种具有多级尺度微观结构的钛基复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有多级尺度微观结构的钛基复合材料及其制备方法，该种具有多级尺度微观结构的钛基复合材料包括钛基框架和钛基增强材料；钛基增强材料填充在所述钛基框架内部；钛基框架形成第一级尺度微观结构；钛基增强材料中陶瓷增强相形成第二级尺度微观结构。本发明制备的具有多级尺度微观结构的钛基复合材料中钛基框架形成的第一级尺度微观结构可以有效协调变形提升韧性；钛基增强材料中呈网状结构分布的陶瓷增强相形成第二级尺度微观结构，可以提高钛基增强材料的强度。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，特别涉及一种具有多级尺度微观 结构的钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

在钛合金基体中引入陶瓷增强体研制出的钛基复合材料具有轻质、高比 强度和耐高温的性能特点，在航空航天和武器装备等领域具有广泛的应用前 景，对于提升飞行器推重比和使用寿命等方面具有重要的意义，但其塑韧性 有待进一步提升。

现有技术主要通过粉末冶金在钛基复合材料中引入钛合金韧性微观区 域，并调控该种微观复合结构实现增韧的目的。专利CN201710023739.8公 开了一种铺粉-热压烧结制备层状钛基复合材料的方法，设计了钛基复合材料 层和纯钛层交替叠加的微观结构，并通过交替铺钛合金加陶瓷混合粉末和钛 合金粉末以及热压烧结来实现层状复合材料的制备；纯钛层可吸收能量并协 调变形，在断裂过程中形成隧道裂纹，有效提升了复合材料的韧性。但该种 层状材料铺粉流程较为复杂，需要称量并交替铺每一层粉末，由于粉层厚度较薄，难以控制均匀性，不利于批量生产与应用。文献Composites Part B 231 (2022)109564报道了一种类纤维结构的钛基复合材料，首先在特制模具中通 过不同区域分别装填钛合金粉末和钛基复合材料粉末，经冷压工艺压制出致 密度达80％的块体，再将冷压块体经热压烧结工艺制备出致密的复合材料块 体，最后对热压烧结块体进行热挤压和轧制处理，得到类纤维结构的钛基复 合材料棒材；但是该方法存在两种粉末接触区域易相互污染影响类纤维微观 结构精度、工艺流程复杂、难以实现大尺寸坯料制备和规模化工业生产的缺 点，应用受限。

发明内容

针对现有技术中的一个或多个问题，本发明提供了一种具有多级尺度微 观结构的钛基复合材料及其制备方法，本发明制备的具有多级尺度微观结构 的钛基复合材料中钛基框架形成的第一级尺度微观结构可以有效协调变形提 升韧性；钛基增强材料中呈网状结构分布的陶瓷增强相形成第二级尺度微观 结构，可以提高钛基增强材料的强度；使得具有多级尺度微观结构的钛基复 合材料获得更好的强度塑性匹配。

本发明在第一方面提供了一种具有多级尺度微观结构的钛基复合材料， 所述具有多级尺度微观结构的钛基复合材料包括钛基框架和钛基增强材料； 所述钛基增强材料填充在所述钛基框架内部；所述钛基增强材料包含陶瓷增 强相；

所述钛基框架形成第一级尺度微观结构；

所述钛基增强材料中陶瓷增强相形成第二级尺度微观结构。

优选地，所述钛基框架的内部沿高度方向为多孔结构；优选的是，所述 多孔结构为蜂窝状结构；更优选的是，所述多孔结构的孔径为0.5mm～3mm； 所述多孔结构的孔壁厚度为0.1～1mm。

优选地，所述钛基增强材料中陶瓷增强相呈网状结构分布；所述网状结 构中网状单元的直径为50～200μm。

优选地，所述钛基增强材料中陶瓷增强相的体积分数为1.7vol％ ～8.5vol％；优选的是，所述陶瓷增强相为TiB。

本发明第二方面提供了一种具有多级尺度微观结构的钛基复合材料的制 备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将第一球形钛基粉末进行激光3D打印，得到钛基框架；

(2)将第二球形钛基粉末与陶瓷粉末充分混合，静置，得到钛基混合粉 末；

(3)将钛基混合粉末填充到所述钛基框架中，得到填粉框架；