一种两级网状结构Ti基复合材料及其制备方法技术

一种两级网状结构Ti基复合材料及其制备方法，它涉及一种Ti基复合材料及其制备方法。它解决了现有两级网状结构钛基复合材料必须采用纳米SiC颗粒，分散性差，主要增强相呈颗粒状分布在一级网状处易形成连续的网状结构，增强效果受限，塑性较差，一级网状处增强相与二级网状处增强相的比例固定、力学性能无法调控，不能通过后续的热处理改变增强相的形貌与尺寸的问题。两级网状结构Ti基复合材料具有两级网状结构。制备方法：一、球磨混粉；二、热压烧结。本发明专利技术降低了成本、改善了增强相分布、实现了增强相相对含量的调控与增强相热处理调控，获得了调控范围更宽、综合力学性能更高的钛基复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种Ti基复合材料及其制备方法。
技术介绍
Ti合金具有低密度、高比强度、高比刚度，良好的抗疲劳、抗腐蚀以及高温力学性能。作为结构材料可应用到航天航空、化学、交通运输以及医药工程等。然而受其自身组织结构限制，其耐磨性、耐热性及强度都有待提高。与Ti合金相比，钛基复合材料(TMCs)因具有更加优异的性能而越来越受到关注，尤其是原位自生方法制备的非连续增强钛基复合材料(DRTMCs)具有更高的强度、模量、耐磨性及耐热性等优异性能，在航空、航天、汽车工业、武器装备等领域具有广阔的应用前景。以往粉末冶金法制备的增强相均匀分布的钛基复合材料，虽然强度得到一定提高，然而塑性却大大降低。根据Hashin-Shtrikman(H-S)理论与晶界强化理论，设计制备的一级网状结构TiBw/Ti合金基复合材料(ZL200810136852.8)，不仅有效改善了钛基复合材料的塑性，还提高了其室温及高温强度水平，解决了粉末冶金法制备DRTMCs脆性大的瓶颈问题。然而因原料本身的特性，即使采用不同的原料，所制备的增强相只能分布在钛粉颗粒周围形成一级网状结构(ZL200810136852.8)，而在网状结构内部的基体中几乎没有增强相。由于上述网状结构的增强相仅分布在网状结构界面处，在晶内尤其是双相钛合金较软的β相中没有增强相分布，因此增强相含量受到限制，增强效果有限。两级网状结构钛基复合材料(ZL201410624454.6)实现了在钛合金颗粒内部与周围均引入增强相，形成两级网状结构；但是必须采用纳米SiC颗粒。纳米SiC颗粒价格昂贵，且不易分散；加之除Ti5Si3增强相以外，其它增强相均以颗粒状分布在一级网状处，容易形成连续的网状结构，增强效果受限，特别对钛基复合材料的塑性不利。同时，一级网状处的增强相(Ti3SiC2+TiC)与钛合金颗粒内部形成的二级网状处的增强相(Ti5Si3)之间的比例固定，无法实现力学性能的调控。并且以上钛基复合材料都不能通过热处理改变增强相的形貌与尺寸，热处理仅能改变基体组织；因此，热处理对上述钛基复合材料的力学性能改善效果有限。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有两级网状结构钛基复合材料必须采用纳米SiC颗粒，分散性差，塑性较差，一级网状处增强相与二级网状处增强相的比例固定、力学性能无法调控，不能通过后续的热处理改变增强相的形貌与尺寸等问题；而提供的一种两级网状结构Ti基复合材料及其制备方法。本专利技术两级网状结构Ti基复合材料具有两级网状结构；TiBw增强相位于钛合金基体边界处，构成一级网状结构；Ti5Si3增强相位于钛合金基体晶内β相中、在α相周围形成二级网状结构；其中，以微米级Si颗粒与微米级TiB2颗粒为增强相原料，以α+β双相钛合金为基体原料。上述两级网状结构Ti基复合材料按以下步骤制备：一、将增强体原料微米级Si颗粒、微米级TiB2颗粒和基体α+β双相钛合金粉末进行球磨混粉；二、热压烧结：将混好的复合粉末装入抽真空的密闭容器中进行热压烧结，即得到两级网状结构钛基复合材料。本专利技术采用微米级Si颗粒与微米级TiB2颗粒作为增强相原料大幅度降低了原料成本，解决了增强相颗粒团聚的问题。本专利技术方法制备过程中TiB2与Ti反应生成销钉状TiB晶须增强相，销钉状TiB晶须增强相能够连接相邻基体颗粒，加之TiB向基体颗粒内部生长，不仅仅是只分布在网状界面处，因此可以提高增强效果与塑性水平。本专利技术两级网状结构Ti基复合材料在一级网状内部定量引入Ti5Si3增强相，进一步提高了TMCs的室温模量、强度及高温强度，充分发挥了网状结构的增强效果。本专利技术产生的增强相不同于原位自生反应形成的增强相，热压烧结过程中Si在高温下固溶到钛合金高温β相中，在降温过程中随着温度的降低溶解度降低，加之大量β相钛合金转变为α相钛合金，溶解度进一步降低，从而针状Ti5Si3增强相被析出，并分布在转变剩余的β相中，由于α相呈近似等轴状，β相分布在α相周围，因此降温析出的针状Ti5Si3增强相围绕α相形成二级网状结构。本专利技术两级网状结构Ti基复合材料中一级网状处的TiBw与二级网状处的Ti5Si3分别由两种不同的原料形成，因此可以任意调控两种增强相的比例，以获得不同特点的力学性能。另外，由于Ti5Si3不是原位自生形成，而是通过溶解度降低析出的；所以，可以通过后续热处理调控其形貌与尺寸，以实现其力学性能的调控。因此，本专利技术两级网状结构Ti基复合材料(TiBw+Ti5Si3)/Ti不仅可以大大提高钛基复合材料的室温与高温强度，而且可通过多方面调控其力学性能。与现有的两级网状结构(TiC+Ti3SiC2+Ti5Si3)/Ti复合材料相比，本专利技术降低了成本、改善了增强相分布、实现了增强相相对含量的调控与增强相热处理调控，获得了调控范围更宽、综合力学性能更高的钛基复合材料。附图说明图1是实施例1制备出的两级网状结构Ti基复合材料的低倍SEM照片。图2是实施例1制备出的两级网状结构Ti基复合材料的高倍SEM照片。图3是实施例1制备出的两级网状结构Ti基复合材料经后续热处理后的高倍SEM照片。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。具体实施方式一：本实施方式两级网状结构Ti基复合材料具有两级网状结构；TiBw增强相位于钛合金基体边界处，构成一级网状结构；Ti5Si3增强相位于钛合金基体晶内β相中、在α相周围形成二级网状结构；其中，以微米级Si颗粒与微米级TiB2颗粒为增强相原料，以α+β双相钛合金为基体原料。本实施方式根据设计中TiBw增强相位和Ti5Si3增强相所占体积比换算出Si颗粒、TiB2颗粒与钛合金粉末的质量比，然后称取钛合金粉末与Si颗粒、TiB2颗粒进行球磨混粉。本实施方式两级网状结构Ti基复合材料被称为两级网状结构(TiBw+Ti5Si3)/Ti复合材料。本实施方式中Ti5Si3增强相能有效强化内部基体。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：Si颗粒的粒径为1～10μm。其它与实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：TiB2颗粒的粒径为1～10μm。其它与实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一的不同点是：α+β双相钛合金为TC4、TC6、TC11、TC17或TC21。其它与实施方式一至三之一相同。具体实施方式五：本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两级网状结构Ti基复合材料，其特征在于两级网状结构Ti基复合材料具有两级网状结构；TiBw增强相位于钛合金基体边界处，构成一级网状结构；Ti5Si3增强相位于钛合金基体晶内β相中、在α相周围形成二级网状结构；其中，以微米级Si颗粒与微米级TiB2颗粒为增强相原料，以α+β双相钛合金为基体原料。

【技术特征摘要】
1.一种两级网状结构Ti基复合材料，其特征在于两级网状结构Ti基复合材料具有两
级网状结构；TiBw增强相位于钛合金基体边界处，构成一级网状结构；Ti5Si3增强相位于
钛合金基体晶内β相中、在α相周围形成二级网状结构；
其中，以微米级Si颗粒与微米级TiB2颗粒为增强相原料，以α+β双相钛合金为基体
原料。
2.根据权利要求1所述的两级网状结构Ti基复合材料，其特征在于Si颗粒的粒径为
1～10μm。
3.根据权利要求1所述的两级网状结构Ti基复合材料，其特征在于TiB2颗粒的粒径
为1～10μm。
4.根据权利要求1所述的两级网状结构Ti基复合材料，其特征在于α+β双相钛合金
为TC4、TC6、TC11、TC17或TC21。
5.根据权利要求1或3所述的两级网状结构Ti基复合材料，其特征在于α+β双相钛
合金的粒径50～300μm。
6.根据权利要求1所述的两级网状结构Ti基复合材料，其特征在于两级网状结构Ti
基复合材料中TiB...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄陆军，焦阳，郜雅楠，李忻婷，吴威，耿林，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23