[发明专利]一种异构结构的钛基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种异构结构的钛基复合材料及其制备方法和应用，该复合材料主要由钛或钛合金作为钛基体，由原位自生的碳化钛、硼化钛中任意一种或者两种作为增强相形成。本发明的复合材料的微观结构中，增强相和细晶粒钛形成的纳米复合细晶结构分布在粗晶粒钛基体周围形成网络状的非均匀分布，且致密性良好，细晶粒和粗晶粒的钛结合在一起形成粗晶与细晶的双晶粒异构结构，且界面结合优良；细晶钛组织中的增强相的微观成分在整个复合材料中呈现成分的梯度，使复合材料形成了晶粒尺寸与微观成分的双异构结构。本发明的复合材料具有较高的强度和塑性组合，综合力学性能优良，可以广泛地应用于航空航天、军事装备和海洋工程及生物医疗领域。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料，具体涉及一种异构结构的钛基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

钛与钛合金具有高强度、低密度、耐热、耐蚀、抗弹性和成形加工性良好的特性，被广泛应用于航空、航天、生物医学等工程领域。纯钛具有良好的抗腐蚀性能，但是其力学性能较为局限，限制了其做为关键承载部件的应用。所以目前使用更多的是钛合金，例如：TC4、TC6、TB3、TA7、TA15等，钛合金具有良好的耐蚀性和优异的综合力学性能，可在一定温度范围下的高温使用，已经被应用于高强度航天飞行器的压力容器、仓体、紧固件、结构件等方面，同时也大量用于其它各工业行业中。但是钛合金普遍具有耐磨性差、弹性模量低、耐热性差、强度有待于进一步提高等问题。

异构结构是调控金属材料的强度与塑韧性矛盾的新颖的方法。金属材料的强度和塑性与其内部晶粒尺寸的大小有很大关系，传统的粗晶具有很高的塑性，但当晶粒尺寸减小到纳米尺寸时，强度显著提高而塑性却几乎完全丧失。Yang等报道了异构结构的CrCoNi中熵合金(PNAS,2018,115(28):7224–7229)，其具有纳米、亚微米到微米级别的三级晶粒尺寸的异构结构。该报告说明了异构结构在调控金属材料强度和塑性矛盾中的可行性和普遍适用性。异构结构包括晶粒尺寸多级结构，微观成分梯度结构和非均匀分布的结构等形式。异构结构使得相邻区域间具有显著的力学响应(包括强度、塑性、加工硬化等)差异，因而在变形时，相邻区域间的界面处会形成应变梯度和背应力导致的加工硬化，弥补位错强化的不足，从而获得金属材料强度与塑韧性的良好协调。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种异构结构的钛基复合材料，本发明将异构结构金属引入到钛基复合材料微观结构，通过调控晶粒尺寸的两级分布、微观成分的非均匀梯度分布，调控钛基复合材料的组织结构，并进而调控钛基复合材料的综合力学性能，有效解决了钛合金普遍具有的耐磨性差、弹性模量低、耐热性差、强度有待于进一步提高等问题。

本发明的另一更重要的目的在于提供一种制备异构结构钛基复合材料的方法。通过此制备方法可以使得复合材料中存在着细/粗晶晶粒粒尺寸的两级分布，富增强相区与贫增强相区的微观成分的梯度分布以及增强相在整个材料中的非均匀分布的特征，构成了异质结构，最终得到异构结构的钛基复合材料。

本发明第三个目的提供了所述的异构结构的钛基复合材料的应用。

技术方案：为了实现上述目的，本发明所述一种异构结构的钛基复合材料，所述该复合材料主要由钛或钛合金作为钛基体，由原位自生的碳化钛、硼化钛中一种或者两种作为增强相形成。

其中，所述原位自生的碳化钛为TiC颗粒，所述硼化钛为TiB晶须，所述原位自生TiC颗粒的碳源包括石墨、石墨烯、碳纳米管、纳米金刚石或者纳米洋葱碳；所述原位自生TiB晶须的源料为TiB₂。

进一步地，所述增强相的颗粒尺寸为5nm-20μm，增强相的纯度为95％-100％；所述增强相的添加比例约为钛基体的0.1-20wt.％。

作为优选，所述钛或钛合金为不规则粉末颗粒或者球形粉末颗粒，颗粒尺寸为1～200μm；