一种两级网状结构Ti基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种Ti基复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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Ti 5Si3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（Ti 3SiC2+TiC)与钛合金颗粒内部形成的二级网状处的增强相（Ti5Si 3)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。
【发明内容】
[0005] 本发明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。
[0006] 本发明两级网状结构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；Ti 5Si3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；
[0007] 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。
[0008] 上述两级网状结构Ti基复合材料按以下步骤制备：
[0009] -、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；
[0010] 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。
[0011] 本发明采用微米级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。
[0012] 本发明方法制备过程中1182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。
[0013] 本发明两级网状结构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。
[0014] 本发明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Ti 5Si3增强相围绕α相形成二级网状结构。
[0015] 本发明两级网状结构Ti基复合材料中一级网状处的TiBw与二级网状处的Ti5Si 3 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Ti5Si 3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，本发明两级网状结构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。
[0016] 与现有的两级网状结构（TiC+Ti3SiC2+Ti 5Si3)/Ti复合材料相比，本发明降低了成 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】
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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】
[0020] 本发明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。
[0021]
【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；
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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+Ti5Si 3)/Ti 复合材料。
[0025] 本实施方式中！！^"增强相能有效强化内部基体。
【具体实施方式】 [0026] 二：本实施方式与一的不同点是：Si颗粒的粒径为 1~10 μm。其它与实施方式一相同。
【具体实施方式】 [0027] 三：本实施方式与一或二的不同点是：1182颗粒的粒 径为1~10 μ m。其它与实施方式一或二相同。
【具体实施方式】 [0028] 四：本实施方式与一至三之一的不同点是：α +β双 相钛合金为！^4、1^6、1'(：11、1'(：17或1^21。其它与实施方式一至三之一相同。
【具体实施方式】 [0029] 五：本实施方式与一至四之一的不同点是：α+β双 相钛合金的粒径50~300 μ m。其它与实施方式一至四之一相同。
[0030]
【具体实施方式】六：本实施方式与【具体实施方式】一至五之一的不同点是：两级网状 结构Ti基复合材料中TiBw增强相含量为Ivol. %~15vol. %。其它与实施方式一至五之 一相同。
【具体实施方式】 [0031] 七：本实施方式与一至六之一的不同点是：两级网状 结构Ti基复合材料中Ti 5Si3增强相含量为Ivol. %~10vol. %。其它与实施方式一至六 之一相同。
【具体实施方式】 [