[发明专利]一种基于交联改性的烧结氢化钛制备TiC增强钛基复合材料的方法

说明书

本发明属于有色金属加工技术领域，公开了一种基于交联改性的烧结氢化钛制备TiC增强钛基复合材料的方法及其制备的复合材料，具体为将羟基化处理的氢化钛与碳源交联反应制备复合粉末并高温烧结原位生成TiC增强钛基复合材料。本发明方法制备得到的复合材料为尺寸为1‑50μm的TiC均匀分布于Ti基体中，烧结块体致密度大于等于99％；其拉伸塑性可达8％，抗拉强度可达570MPa，磨损体积相比纯钛降低19％。本发明方法解决了现有技术以氢化钛为原料制备的钛基复合材料力学性能差的问题，并降低了其制备成本，所得性能优异的TiC增强钛基复合材料可应用于航空航天、装甲车、兵器、船舶、汽车等领域高强耐磨结构件的制备中。

技术领域

本发明属于有色金属加工技术领域，特别涉及一种基于交联改性的烧结氢化钛制备TiC增强钛基复合材料的方法及其制备的复合材料，具体为将羟基化处理的氢化钛与碳源交联反应制备复合粉末并高温烧结原位生成TiC增强钛基复合材料。

背景技术

钛具有高的比强度、优异的耐腐蚀性能、出色的生物相容性、低的热膨胀系数及较高的服役温度，是理想的轻质结构材料，应用于高精尖端的航空航天、军工、生物医疗器械等领域，其在汽车、能源、化工及日常消费等领域也具有极大的应用潜力。

实现纯钛在日常消费等领域的极大应用需克服两大问题：一、纯钛强度低。引入间隙原子对钛固溶强化会损坏其塑性，且间隙原子难以去除。二、制造成本高。铸造、锻造钛制品材料利用率低；粉末冶金制备钛零件需要采用高能源消耗的烧结方式。

针对问题一，可以在钛基体中添加非连续增强相制备钛基复合材料，实现纯钛的高塑性与增强相的高强度相结合而提高综合力学性能。常用的增强相包括TiC、TiB、SiC、Al₂O₃陶瓷相，其中TiC、TiB陶瓷相的热膨胀系数与钛基体相近，且与基体界面结合力强。针对问题二，氢化钛作为氢化脱氢法制备钛粉的中间产物，其成本较纯钛粉低。并且，氢化钛粉末脱氢后的烧结致密化速率较纯钛高，可制备近致密钛块体。

因此，以氢化钛为原料制备钛基复合材料可同时解决上述问题。目前烧结氢化钛制备复合材料的研究较少。并且，氢化钛的本征脆性使其在机械合金化过程中极易破碎为纳米粉末而引入大量杂质。因此，以氢化钛为原料结合机械合金化制备的复合材料室温拉伸塑性极低。另外，混粉外加增强相颗粒或外加原位内生增强相原料存在混合不均匀、团聚和烧结后致密度低等问题，且外加陶瓷相与钛基体界面反应严重导致增强效果差，甚至恶化复合材料力学性能。参考文献1(O.M.Ivasishin等，Journal of Materials ProcessingTech.269(2019)172-181)利用氢化钛为原料外加TiC、TiB以增强Ti-6Al-4V，其拉伸塑性小于1％；参考文献2(N.Peillon等，Journal of Alloys and Compounds.619(2015)157-164)混粉外加TiC颗粒至氢化钛中制备复合材料，其氧含量为2.1wt.％，远高于钛合金塑性的临界氧含量(0.33％)，本领域技术人员根据其氧含量可知该材料基本没有拉伸塑性，因而其力学性能仅报道硬度；对于结构材料而言，基体中存在的孔洞对拉伸性能的恶化作用远高于压缩性能，参考文献3(Jing Zeng等，Metals.(2018)8 303)利用氢化钛为原料结合球磨法制备TiB增强钛基复合材料，其基体中存在尺寸大且数量多的孔洞，因而其也基本没有拉伸塑性，力学性能仅报道高温压缩性能。根据文献可知，现有技术存在以下问题：

(1)熔铸制备钛基复合材料需要高于钛熔点(1668℃)的熔炼温度，需消耗大量能源；并且，铸造的钛基复合材料制品材料利用率较低。

(2)粉末冶金制备钛基复合材料是以纯钛为原料结合机械合金化、元素混粉等方法引入增强相，其杂质含量高、制造成本高。

(3)现有的烧结氢化钛粉末制备的钛基复合材料的残余孔隙率高，力学性能差。

发明内容