超细网状结构三硅化五钛和碳化钛增强钛基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及高温抗氧化材料领域，具体涉及超细网状结构三硅化五钛和碳化钛增强钛基复合材料及其制备方法。所述复合材料由Ti

【技术实现步骤摘要】
超细网状结构三硅化五钛和碳化钛增强钛基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及高温抗氧化材料领域，具体涉及超细网状结构三硅化五钛和碳化钛增强钛基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]Ti合金具有低密度、高比强度和优异的抗腐蚀等性能被认为是最有潜力的新一代空天飞行器蒙皮用材料。然而，由于Ti合金高温抗氧化性能差以及在高温服役环境下性能急剧衰减的缺陷，使其最高服役温度限制在600℃，无法满足空天技术发展的需求。因此，制备集轻量化、高强韧、高温(600℃以上)抗氧化、同时在服役环境下安全可靠工作的Ti合金是推动空天领域发展的关键。
[0003]与传统的钛合金相比，向钛合金中引入具有高温稳定性的陶瓷相制备出钛基复合材料(TMCs)因具有更优异的综合性能而受到广泛地关注，尤其是采用原位自生方法制备的增强相弥散分布的钛基复合材料。与未强化钛合金基体相比，其不仅拥有良好的耐磨性、较高的模量、强度，而且服役温度可提高约100
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200℃。然而，增强相弥散分布的钛基复合材料存在高温热冲击性能差的难题。申请人及所在团队采用粉末冶金工艺制备了Ti5Si3和TiC颗粒弥散增强Ti
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Nb
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Al复合材料，结果表明Ti5Si3和TiC增强相的存在可将复合材料的高温抗氧化温度提升到950℃，与传统的Ti6Al4V合金相比，提高了近450℃(Q.Lu,Y.N.Hao,Y.Y.Wang,P.Z.Feng,J.L.Fan.Microstructural evolution and high
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temperature oxidation mechanisms ofa Ti
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Mo
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Si composite[J].Corrosion Science,2019:108180)。尽管弥散分布的Ti5Si3和TiC增强相可极大地改善钛基复合材料的静态抗氧化性能，但是，复合材料的高温抗热冲击性能差。这主要是由于弥散分布的Ti5Si3和TiC增强相与Ti合金基体的热膨胀系数存在差异，在热循环的过程中，会产生大量的内应力。由此引起的脆性氧化膜开裂、剥落等失效问题，导致Ti5Si3和TiC增强钛基复合材料在高温服役环境下的可靠性难以保证。因此，如何从材料微结构设计和制备技术理论取得突破，解决热冲击性能差的问题，是当今钛基复合材料在空天
应用和发展急需解决的关键瓶颈问题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术根据具有多级跨尺度结构特征的生物通过作用于不同尺度上的多种塑性增韧机制来缓释内应力的启示，将Ti5Si3和TiC增强相以网状结构分布于Ti
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Mo
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Nb
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Al复合材料基体中，缓解Ti5Si3和TiC增强相与基体之间由于热膨胀系数的不匹配性，在热循环状态下引起的应力集中。采用静电自组装技术，实现SiC纳米颗粒均匀包覆TiH2‑
Mo
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Nb
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Al颗粒粉末，通过快速反应烧结技术制备出超细二级网状结构Ti5Si3+TiC/Ti
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Mo
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Al复合材料。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种超细网状结构三硅化五钛和碳化钛增强钛基复合材料，所述复合材料由Ti
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Mo
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Nb
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Al合金基体和Ti5Si3+TiC增强相组成，所述增强
相以二级网状结构分布在所述合金基体中；所述复合材料表面为纳米孪晶缓释层和具有纳米梯度结构致密抗氧化膜；
[0006]所述增强相的成分体积百分含量为：TiC 0
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50％，Ti5Si350
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100％；
[0007]所述增强相占所述合金基体体积的5
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20％。
[0008]进一步的，所述Ti
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Mo
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Nb
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Al合金基体原料为TiH2、Mo、Nb、Al粉末或TiH2‑
Mo
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Nb
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Al合金粉末。
[0009]基于同一专利技术构思的，本专利技术还提供了一种超细网状结构三硅化五钛和碳化钛增强钛基复合材料的制备方法，具体包括：
[0010]S1:将纳米SiC颗粒和TiH2、Mo、Nb、Al粉末或TiH2‑
Mo
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Nb
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Al合金粉末分别溶于去离子水中，搅拌并加入分散增稠辅助剂，再进行pH值调节，获得Zeta电位相反的SiC悬浮液和合金悬浮液；
[0011]S2:将SiC悬浮液和合金悬浮液混合进行静电自组装获得静电自组装悬浮液，并干燥获得纳米SiC颗粒均匀包覆TiH2‑
Mo
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Nb
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Al的复合粉末；
[0012]S3:将所述复合粉末进行放电等离子烧结后，并进行抗氧化处理获得超细网状结构Ti5Si3+TiC/Ti
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Mo
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Nb
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Al复合材料。
[0013]进一步的，所述步骤S1中的分散增稠辅助剂为聚乙二醇PEG
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400、吐温80和十六烷基三甲基溴化铵。
[0014]进一步的，所述步骤S3中放电等离子烧结的工艺条件为：
[0015]烧结温度为800
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1400℃，保温时间为5
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20min，压力为2
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45MPa。
[0016]进一步的，所述步骤S3中抗氧化处理的工艺条件为：
[0017]温度大于800℃，时间大于300h。
[0018]有益效果：
[0019](1)本专利技术的复合材料中的Ti5Si3和TiC增强相以网状结构分布于Ti
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Mo
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Nb
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Al复合材料基体中，能够缓解复合材料的内应力，提高了复合材料的高温抗热冲击性能，复合材料的外层有致密纳米梯度结构的氧化膜，该氧化膜具有高温稳定性，在氧化膜与基体的界面处形成有纳米孪晶，提高氧化层与基体的结合力，缓释了基体与氧化层之间因热膨胀系数不同而引起的热应力。
[0020](2)本专利技术复合材料采用静电自组装法实现纳米SiC颗粒均匀包覆TiH2‑
Mo
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Nb
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Al合金粉末，并以低成本的TiH2粉末取代高活性的纯Ti粉，解决了纯钛粉活性高，传统机械混粉法会引入杂质而变脆的技术难题，采用放电等离子烧结实现粉末的快速反应烧结，抑制晶粒的长大，制备出超细二级网状结构Ti5Si3+TiC/Ti
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Mo
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Nb
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Al复合材料。
[0021](3)本专利技术的新型超细网状本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超细网状结构三硅化五钛和碳化钛增强钛基复合材料，其特征在于，所述复合材料由Ti
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Mo
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Al合金基体和Ti5Si3+TiC增强相组成，所述增强相以二级网状结构分布在所述合金基体中；所述复合材料表面为纳米孪晶缓释层和具有纳米梯度结构致密抗氧化膜；所述增强相的成分体积百分含量为：TiC 0
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50％，Ti5Si350
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100％；所述增强相占所述合金基体体积的5
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20％。2.根据权利要求1所述的超细网状结构三硅化五钛和碳化钛增强钛基复合材料，其特征在于，所述Ti
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Mo
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Nb
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Al合金基体原料为TiH2、Mo、Nb、Al粉末或TiH2‑
Mo
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Nb
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Al合金粉末。3.如权利要求1所述的超细网状结构三硅化五钛和碳化钛增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括：S1:将纳米SiC颗粒和TiH2、Mo、Nb、Al粉末或TiH2‑
Mo
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Al合金粉末分别溶于去离子水中，搅拌并加入分散增...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆琼，范景莲，范衍，李威，田家敏，
申请(专利权)人：长沙微纳坤宸新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：