[发明专利]一种利用氢化钛粉末直接制备成型钛基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备复合材料的方法，具体涉及一种利用氢化钛粉末快速脱氢及热固结直接制备成型钛基复合材料的方法，属于有色金属加工技术领域。

背景技术

钛作为一种重要的有色金属材料，因其密度低，比强度高，耐腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能好等特点，近年来，在航空航天飞行器、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛。此外，钛在汽车、医疗、化工、能源和日常消费等行业也有着巨大的应用潜力，因此，钛也被称为“正在崛起的第三金属”和“21世纪金属”。

然而，由于纯钛的力学强度较低，其强度主要由固溶于钛中的间隙元素(N、O、H等)来提供，间隙元素的含量越高，钛的强度就越高。但由于这些间隙元素在钛中具有很高的固溶度和极强的亲和力，因此它们在后续加工的过程中也很难被去除，如当钛及其合金在含有氧和氮的环境中进行加热时，不仅会在表面形成一层坚固的硬化层，而且氧和氮还会向材料内部扩散使得材料的晶格发生畸变，致使材料的塑形降低。因此，为了满足科技发展对材料高性能日益增长的需要，人们总是希望在得到纯度较高的钛材料的同时，通过多种工艺手段来不断增加材料的力学性能以满足不同领域的需求。

增强钛力学性能的一种有效的方法是向钛基体中添加第二相的纤维或颗粒，制备出具有更高强度的钛基复合材料(Titanium Matrix Composites,TMCs)。钛基复合材料可有效的将金属钛的高延展性和低密度的优点与增强相的高强度和高模量的特点相结合，制备出的钛基复合材料相比基体钛材料拥有更高的比强度与抗高温性能，更好的抗疲劳与抗剪切性能。

钛基复合材料中的增强相是提高材料力学性能的主要原因。根据增强相的形貌、体积分数和含量的不同，复合材料中增强相的作用主要是阻碍位错的运动和晶粒的长大，同时起到承受应力和传递应力的作用，从而可以提高材料本身的强度，高温性能和抗蠕变能力。通常，增强相的选择应满足以下条件：具有较高的强度、刚度和硬度等机械性能。通常增强相在基体中占有一定的体积分数，需要承担一部分来自外部的载荷，当增强相足够细小且达到一定数量时，具有阻碍位错移动作用的弥散强化变得十分重要；具有较高的热力学稳定性，由于钛具有较高的熔点，在热加工的过程中增强相应具有较好的热力学稳定性且不应和基体材料相互反应或溶解于基体之中；增强相与基体之间应具有良好的浸润性与化学相容性，且没有严重的界面化学反应；此外，增强相的热膨胀系数应与基体材料相似，以降低由于在热加工及后续使用过程中由于热膨胀系数不匹配而造成的显微裂纹。目前，人们认为较为理想的钛基复合材料增强相主要包括TiB、TiC、SiC、B₄C和ZrB₂等。

钛基复合材料的制备方法根据增强体的加入或生成方式，可以分为外加法和原位生成法(in-situ)两种。外加法是将最终的增强相直接加入到金属基体中来合成复合材料，而原位生成法则是指复合材料中的增强相是在后续制备过程中，通过外加元素与基体的化学反应而生成的。可以与钛发生反应生成稳定增强相的元素主要包括B、C、TiB₂、B₄C、Cr₃C₂和Si₃N₄等。

近些年来，利用氢化钛为原料制备钛和钛合金制品的研究不断增多，采用氢化钛直接制备钛制品可以减少原料成本，缩减工艺流程，提高烧结致密度。然而，目前人们制备钛基复合材料仍大多选用纯钛或钛合金作为基体材料，采用氢化钛粉制备钛基复合材料的研究还处于起步阶段。N.Peillon等人将氢化钛粉末与10vol％和20vol％的TiC颗粒相混合，然后通过冷压成型并在真空环境下在800-1375℃之间通过自由烧结的方法制备出TiC增强钛基复合材料。与同工艺下利用雾化钛粉和氢化脱氢钛粉为原料制备的复合材料相比，采用氢化钛为原料可以降低烧结温度并提高最终材料的致密度。Woong Lee等人将氢化钛粉与0-60vol％的TiC颗粒相混合，然后通过热压的方式在60MPa的压强下将其加热至1000-1150℃，制备出TiC增强钛基复合材料并对其显微组织的转变进行了研究。在已有的研究报道中，氢化钛的脱氢需要的时间较长，且最终材料中仍会存在一些残余孔洞，需要进一步的后处理工艺来提高材料的致密度。

现有技术存在以下不足：

1、传统铸造工艺制备钛基复合材料，制备温度在基体钛的熔点之上，由于纯钛的熔点高达1660℃，因此需要耗费大量的能源。此外，由于在冷却的过程中可能会产生成分偏析，因此需要通过多次熔铸来达到成分的均匀。