一种高强度原位晶须和颗粒复合增强钛基复合材料

摘要

一种高强度原位晶须和颗粒复合增强钛基复合材料,其特征在于:该复合材料由原位形成的一硼化钛晶须、碳化钛颗粒和钛基体组成,晶须沿挤压方向排列,原位增强相的体积含量在0.05－0.40。制备过程是使用钛或钛合金和碳化硼粉末在1150－1350℃,50－200MPa条件下真空烧结0.5－4小时,然后在1000－1200℃挤压成型。本发明兼有高的室温强度和良好的高温性能。

说明书

本发明涉及金属材料，特别提供了一种高强度原位生长陶瓷晶须和颗粒复合增强钛基复合材料。

传统上，钛基复合材料通常采用长纤维(比如碳化硅纤维)作为增强相，然而在高温制备条件下长纤维通常与钛基体产生严重的界面反应，极大地降低复合材料的机械性能。改善这一状况的措施之一是在钛基体中原位形成与基体相容的不连续陶瓷增强相，其中一硼化钛和碳化钛是最佳的选择，因为它们与钛基体是完全相容的。影响金属基复合材料性能的因素之一是陶瓷增强相的形状和尺寸，细小的陶瓷粒子可明显提高材料的强度，晶须则有助于改善材料的高温蠕变抗力及韧性。因此，如果在钛基体中原位形成一硼化钛晶须和细小碳化钛粒子可望得到具有高室温强度和良好高温性能的钛基复合材料。尽管由钛-碳化硼体系制备一硼化钛和碳化钛(或碳化二钛)增强钛基复合材料已有文献(Mater.Sci.Eng.，vol.A149，No.2(1992)，253-257；Scripta Mater.，vol.41，No.1(1999)，39-44和Mater.Sci.Technol.，vol.12，No.3(1996)，219-226)报道，但采用的均是铸造方法，由于受凝固条件的限制，一硼化钛很难长成大长径比的晶须，碳化钛通常也不能形成等轴状粒子。

本发明的目的在于提供一种高强度原位晶须和颗粒复合增强钛基复合材料及其制备技术，这种复合材料具有高的室温强度和良好的高温性能，可用于各种要求高强度、高使用温度的场合。

本发明提供了一种高强度原位晶须和颗粒复合增强钛基复合材料，其特征在于：该复合材料由沿挤压方向定向排列的一硼化钛晶须、碳化钛颗粒和钛基体组成，晶须直径为0.2-15μm，长度为5-500μm，碳化钛颗粒尺寸为0.1-10μm，原位增强相的体积总含量在0.05-0.40，其中一硼化钛和碳化钛的摩尔比是4∶(1±0.05)。

本发明还提供了上述高强度原位晶须和颗粒复合增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于制备过程如下：

采用物理机械方法使40-150μm的钛或钛合金和0.5-15μm的碳化硼粉末均匀混合，钛或钛合金和碳化硼的重量比为92.5∶1到13.1∶1；

混合粉末冷压实后在10^-5托真空条件下逐步加热除气，然后在1150-1350℃，50-200MPa条件下真空烧结0.5-4小时；

热压锭在1000-1200℃以10∶1-40∶1挤压比挤压成型。

测试表明所获得的原位一硼化钛晶须和碳化钛颗粒复合增强钛基复合材料具有良好的机械性能。

本发明使用一个新的反应体系，即以钛碳化硼，采用粉末反应热压法制备出定向排列的原位一硼化钛晶须和等轴状碳化钛粒子复合增强钛基复合材料。从文献(Mater.Sci.Technol.，vol.12，No.3(1996)，219-226)提供的的数据相比可以发现，在相同的增强相体积分数(15vol.％)条件下，由反应热压法制备的一硼化钛晶须和碳化钛粒子增强钛复合材料的强度明显高于由铸造法制备的一硼化钛晶须和碳化二钛粒子增强钛复合材料，两者在600℃的压缩屈服强度分别是325和254MPa。

下面通过实施例详述本发明。

实施例1

4vol.％一硼化钛晶须和1vol.％碳化钛颗粒复合增强钛复合材料制造工艺：将重量比为92.5∶1的钛和碳化硼粉末用双轴混料机混合10小时后冷压实。冷压坯在在10^-5托真空条件下逐步加热除气，然后在1300℃，100MPa条件下烧结1小时。热压锭在1100℃以25∶1挤压比挤压成型。所得复合材料在350和600℃的压缩屈服强度分别是620和195MPa，较未增强钛分别提高56％和64％。

实施例2

12.1vol.％一硼化钛晶须和2.9vol.％碳化钛颗粒复合增强钛复合材料制造工艺：将重量比为33.7∶1的钛和碳化硼粉末用双轴混料机混合10小时后冷压实。冷压坯在在10^-5托真空条件下逐步加热除气，然后在1250℃，120MPa条件下烧结0.5小时。热压锭在1100℃以18∶1挤压比挤压成型。所得复合材料在350和600℃的压缩屈服强度分别是1035和325MPa，较未增强钛分别提高160％和173％。复合材料在600-650℃的压缩蠕变抗力较未增强钛提高1.5个数量级。

实施例3

32.4vol.％一硼化钛晶须和7.6vol.％碳化钛颗粒复合增强钛复合材料制造工艺：将重量比为13.1∶1的钛和碳化硼粉末用双轴混料机混合10小时后冷压实。冷压坯在在10^-5托真空条件下逐步加热除气，然后在1350℃，80MPa条件下烧结2小时。热压锭在1200℃以10∶1挤压比挤压成型。所得复合材料在600℃的压缩屈服强度是520MPa，较未增强钛提高337％。

实施例4

12.1vol.％一硼化钛晶须和2.9vol.％碳化钛颗粒复合增强Ti-6Al-4V合金基复合材料制造工艺：将重量比为33.7∶1的Ti-6Al-4V合金和碳化硼粉末用双轴混料机混合10小时后冷压实。冷压坯在在10^-5托真空条件下逐步加热除气，然后在1300℃，120MPa条件下烧结0.5小时。热压锭在1200℃以20∶1挤压比挤压成型，所得复合材料在600℃的压缩屈服强度是500MPa。