[发明专利]一种颗粒增强钛基复合材料中增强相均匀分布及生长方向主动控制方法

说明书

本发明涉及钛合金增材制造领域，具体涉及一种颗粒增强钛基复合材料中增强相均匀分布及生长方向主动控制方法。该方法包括以下步骤：1)基体材料准备；2)成形材料准备：成形材料采用钛基复合材料预合金粉末，其氧含量低于0.2％；3)成形工艺：采用激光增材制造的方式制备成形构件，在成形过程中采用激光能量密度控制，使激光能量密度在50～350J/mm³范围内；4)热处理：将成形构件进行适当的退火处理。本发明能够实现颗粒增强钛基复合材料中增强相分布、形态的主动控制，有效提升钛基复合材料的力学性能。

技术领域

本发明涉及钛合金增材制造领域，具体涉及一种颗粒增强钛基复合材料中增强相均匀分布及生长方向主动控制方法。

背景技术

超高速飞行器技术是21世纪航空航天领域战略制高点，已成为当今世界强国关注的战略发展方向之一。对空间进行大规模开发起着至关重要的作用，在工业和军事领域都将得到广泛的应用。超高速飞行器在大气及复杂电离气体环境中服役，其尖锐形鼻锥和翼前缘等结构将经历严重的气动加热过程，这对飞行器的防热材料和结构将是极为严峻的挑战，尤其对热力耦合环境下零件的可靠性提出了严格的要求。钛基复合材料(Ti-basedMatrix Composites，TMCs)既能保持钛合金的优良特性，又具有比钛合金更高的比强度和比模量，可望成为航空航天领域重要的结构金属材料，因此近年来备受学术界和产业界的关注。钛基复合材料是指在钛或钛合金基体中植入硬陶瓷增强体的一种复合材料。它把钛的延展性、韧性与陶瓷的高强度、高模量结合起来，从而获得更高的强度、耐磨性及更好的高温力学性能。其类型主要有连续纤维增强钛基复合材料和颗粒增强钛基复合材料。颗粒增强钛基复合材料具有更高的强度、模量、耐磨性、耐热性及服役温度，使用温度较相应基体钛合金提高200℃以上；与传统的耐热钢、镍基高温合金相比具有更低的密度、优异的耐腐蚀性，服役温度较耐热钢高，较镍基高温合金低，有望在850℃以下应用环境中替代钢、镍基高温合金，减重约40％；与连续纤维增强钛基复合材料相比，具有各向同性、制备简单、可变形加工的优势；与TiAl金属间化合物相比，具有更高的室温塑性及可塑性加工优势，理论服役温度相当。因此，作为“轻质、耐热、高强、易加工”材料的代表在超高速飞行器热防护结构具有广泛的应用前景。

但是，由于钛基复合材料成形过程复杂，传统的材料制备工艺难以准备出形状可控、组织均匀的钛基复合材料构件。例如：采用锻造方法制备的钛基复合材料，难以实现强塑形的良好匹配；采用粉末冶金方法制备的钛基复合材料，组织中缺陷率高、构件精度与尺寸受限；采用铸造方法制备的钛基复合材料，其显微组织和增强相的形态、尺寸难以控制。同时，对于高增强相的构件，在机加工时极易产生裂纹、缺损、崩落和气孔等缺陷，从而导致构件的报废。

发明内容

为了克服上述问题，本发明的目的是提供一种颗粒增强钛基复合材料中增强相均匀分布及生长方向主动控制方法，能够实现颗粒增强钛基复合材料中增强相的均匀分布及其生长方向的主动控制(0～45°)，解决现有颗粒增强钛基复合材料中增强相分布、形态难以控制的难题，有效提升钛基复合材料的性能，为激光增材制造技术的应用提供理论支持。

本发明的技术方案是：

一种颗粒增强钛基复合材料中增强相均匀分布及生长方向主动控制方法，包括以下步骤：

(1)基体材料准备：基体材料为激光增材制造过程中使用的钛基合金基板，其成分与成形材料主成分相同的材料，防止激光增材制造过程中的高温导致成形构件发生变形；

(2)成形材料准备：成形材料采用钛基复合材料预合金粉末，其氧含量低于0.2wt.％；

(3)成形工艺：采用激光增材制造的方式制备成形构件，为了有效控制成形过程，因此采用激光能量密度控制，使激光能量密度在50～350J/mm³范围内，即控制熔池附近的温度梯度、凝固速度和熔池尺寸来实现颗粒增强钛基复合材料中增强相形态的主动控制，激光增材制造钛基复合材料中增强相与成形方向呈0～45°夹角；