[发明专利]一种结构性能可控的高弹性模量钛基复合材料及其制备方法

说明书

一种结构性能可控的高弹性模量钛基复合材料及其制备方法，本发明涉及一种结构性能可控的高弹性模量钛基复合材料及其制备方法。本发明是要解决钛合金弹性模量难以超过120GPa，钛基复合材料弹性模量难以超过170GPa的瓶颈，以及TiC等陶瓷成型性差、加工性差的问题。本发明以工业纯钛和金刚石为原料，通过粉末冶金方法向材料内靶向引入TiCp和金刚石增强相。填补了高于170GPa钛材料的空白，通过改变球磨工艺实现网状结构的形状，通过改变烧结工艺实现对金刚石反应量的控制。本发明用于高弹性模量钛基复合材料的制备。

技术领域

本发明涉及一种结构性能可控的高弹性模量钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

钛及钛合金具有高比强度和耐腐蚀等显著优点，其应用领域十分广泛，并且还在不断地扩展，其中包括航空航天、舰船、化工冶金等常规工业以及生物医用材料和艺术、体育、日常生活用品等诸多方面。然而，随着各项技术的发展，人们对材料的性能要求越来越高，纯钛及钛合金已经无法满足使用需求。因此，人们制备出连续纤维增强钛基复合材料(CRTMCs)、非连续增强钛基复合材料(DRTMCs)，以进一步提高复合材料的比刚度和使用温度。

CRTMCs往往具有较高的弹性模量，其性能具有各向异性，且存在难以成形与机械加工的，无法通过传统焊接方式进行连接等缺点。DRTMCs的出现解决了材料难以加工及焊接的问题。非连续增强复合材料的弹性模量可以利用Hashin-Shtrikman(H-S)理论进行较准确的预测，DRTMCs的弹性模量往往在H-S上限与下限之间，当非连续增强复合材料的结构为硬相包围软相时，弹性模量可达H-S上限理论值，当材料的结构为软相包围硬相时，弹性模量只能达到H-S下限值。H-S理论指出，生成硬相包围软相的结构，选择弹性模量较高的增强相和提高增强相体积分数均有利于提高复合材料的弹性模量。根据H-S理论与晶界强化理论所设计制备的增强体非均匀分布网状结构TiBw/Ti复合材料(ZL200810136852.8)有效地改善了材料的室温塑性，并提高了材料的弹性模量和室温、高温强度水平，解决了粉末冶金制备DRTMCs的室温脆性问题。然而等轴网状结构存在一个增强相含量最佳值，这也就意味这种材料的弹性模量存在上限，很难突破170GPa。对于一些精密仪器或者运动器材而言，目前存在的钛基复合材料比刚度仍然不足，难以达到使用需求，钛基复合材料的弹性模量仍需进一步提高。

发明内容

本发明是要解决钛合金弹性模量难以超过120GPa，钛基复合材料弹性模量难以超过170GPa的瓶颈，以及TiC等陶瓷成型性差、加工性差的问题。而提供一种结构性能可控的高弹性模量钛基复合材料及其制备方法。

一种结构性能可控的高弹性模量钛基复合材料以工业纯钛和金刚石为原料，通过粉末冶金方法向材料内靶向引入TiCp和金刚石作为增强相；所述工业纯钛为钛粉，金刚石为金刚石粉；所述金刚石粉的体积占原料总体积的5～15％。

上述一种结构性能可控的高弹性模量钛基复合材料的制备方法具体按以下步骤进行：

一、按照实际所需的弹性模量，根据H-S上限理论计算所需增强相含量，选择金刚石粉与钛粉的配比；

二、按照上述比例称取金刚石粉和钛粉作为原料，在高纯Ar保护气氛下使用行星球磨机进行球磨，得到混合粉末；球磨转速为180～350rpm，球磨时间为5～25h，球料比为(3～10):1；

三、采用真空热压烧结炉对混合粉末进行热压烧结，得到高弹性模量钛基复合材料；烧结温度为1000～1500℃，保温时间0.5～1.5h，压力为20～100MPa，烧结时真空度不低于5×10^-2Pa。

本发明的有益效果：