[发明专利]一种高塑性准网状结构钛基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高塑性准网状结构钛基复合材料，以钛或钛合金为基体，以石墨烯与Ti基体原位自生的TiC相、TiC@石墨烯为增强体，增强体均匀且不连续地分布在Ti基体的原始β晶界处，形成准网状结构；本发明还公开了一种高塑性准网状结构钛基复合材料的制备方法，该法将表面粗糙的钛基球形粉末颗粒加入到石墨烯纳米片悬浮溶液中制备混合粉末并进行放电等离子烧结。本发明钛基复合材料中的TiC相、TiC@石墨烯增强体的分布状态与结构实现了强化相包围基体，提高了钛基复合材料的强度并保证其延伸塑性；本发明对钛基粉末表面预处理及湿法混料增加了石墨烯与钛基体混匀度，克服了石墨烯钛基复合材料室温变形能力差和延展塑性差的缺点。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种高塑性准网状结构钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

钛及钛合金是航空飞机及发动机的主要结构材料之一，用于压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等关键零部件以及飞机的大梁隔框等。而航天飞行器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀性和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架及火箭壳体等。近年来，随着我国航空航天工业的快速发展，对飞机/飞行器的推力、推重比提出了更高的要求，从而导致发动机的压力比、燃烧室温度及转速极大的提高。然而钛合金材料作为发动机材料，其使用温度已接近其能力极限，不可能满足新一代航空航天发动机的设计需求。目前，从国内外应用现状和发展前景可知，新一代航空航天发动机材料必将是以复合材料为主体，比如钛基复合材料。

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。但由于其优异的本征性能(断裂强度可达130GPa，是钢的100多倍；杨氏模量为1100GPa，是钛的10多倍；超强的比表面积，比单位普通活性炭高出1130m²/g，可达2630m²/g)，被认为是新一代金属基复合材料中的理想增强体。越来越多的研究表明，增强体均匀分布的非连续金属材料虽然较单一的金属材料具有许多优异的性能，然而却很难获得理想的增强效果。根据Hashin-Shtrikman(H-S)及晶界强化理论，强化相包围基体，并形成连续网状结构的强化效果最佳。另外，金属基复合材料的力学性能主要取决于基体材料和增强体的本征性能，以及基体与增强体反应界面的结构和特征。而在塑性变形过程中，石墨烯所承受的最大剪切应力取决于基体与增强体反应界面的剪切强度。因此，金属基复合材料的制备工艺主要聚焦于石墨烯与金属基体之间的界面特性，特别是在变形过程中的承载效应。如何有效精准的设计钛基复合材料中增强体的定向分布和反应界面的有效控制，实现复合材料力学行为和性能响应机制的定量表征和分析，成为当前石墨烯增强钛基复合材料工程化应用中面临的主要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高塑性准网状结构钛基复合材料。该钛基复合材料采用石墨烯与Ti基体原位自生的TiC相、TiC@石墨烯为增强体，且增强体均匀且不连续地分布在Ti基体的原始β晶界处，形成准网状结构，实现了Hashin-Shtrikman(H-S)及晶界强化理论中强化相包围基体的效果，提高了钛基复合材料的强度，同时保证了钛基复合材料较高的延伸塑性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高塑性准网状结构钛基复合材料，其特征在于，该钛基复合材料以钛或钛合金为基体，以石墨烯与Ti基体原位自生的TiC相、TiC@石墨烯为增强体，所述增强体均匀且不连续地分布在Ti基体的原始β晶界处，形成准网状结构，该准网状结构中的网格平均直径不超过150μm；所述钛基复合材料的室温延伸率大于15％。