)/Ti復(fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及層狀鈦基復(fù)合材料的制備方法，具體涉及一種采用粉末冶金制備層狀結(jié)構(gòu)T1-(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦及鈦合金密度小、比強度高、耐高溫耐腐蝕性好，廣泛運用于航空航天、船舶、醫(yī)療、體育器械、化工能源等領(lǐng)域。當鈦合金材料發(fā)展到接近某種性能的極限時，單純依靠改變固溶元素就很難在性能上有質(zhì)的提高，此時可以選擇通過向合金中添加增強體來獲得更高的性能。自從上世紀70年代以來，國內(nèi)外紛紛開展了眾多關(guān)于鈦基復(fù)合材料的研宄，根據(jù)增強體種類不同主要分為連續(xù)纖維增強鈦基復(fù)合材料和顆粒增強復(fù)合材料。其中纖維增強鈦基復(fù)合材料由于工藝復(fù)雜、成本過高、界面反應(yīng)等因素的制約限制了其研宄和應(yīng)用。顆粒增強鈦基復(fù)合材料又分為外加增強體顆粒和原位反應(yīng)生成兩種，其中原位反應(yīng)合成方法能夠避免引入污染以及界面反應(yīng)同時保證基體與增強體的良好結(jié)合。目前的原位反應(yīng)合成方法主要有:高溫自蔓延合成法、放熱擴散法、熔鑄法、快速凝固法和粉末冶金法。研宄表明原位合成增強體的引入，有利于提高復(fù)合材料的強度、模量、耐磨性等力學(xué)性能。但是隨著鈦基體中增強體含量的增加，雖然鈦基復(fù)合材料強度和剛度顯著提高，但同時會導(dǎo)致韌性和損傷容限的大幅降低，直到呈現(xiàn)整體脆性而使應(yīng)用受到限制，這也成為限制鈦基復(fù)合材料應(yīng)用的主要瓶頸。
[0003]縱觀自然界中，經(jīng)過自然選擇、優(yōu)勝劣汰等自然選擇，多種生物選擇了最適合自己生存的材料來構(gòu)建自己的身體，如竹子、貝殼等，這些天然生物材料往往具有優(yōu)異的性能。隨著對生物材料的研宄不斷深入，人們開始逐漸意識到這種具有優(yōu)異性能的生物材料對現(xiàn)代材料的制備具有借鑒和啟發(fā)作用，于是產(chǎn)生了材料科學(xué)新的研宄領(lǐng)域一一仿生材料。其中，貝殼類生物中的珍珠層因具有杰出的力學(xué)性能而備受關(guān)注。受大自然中貝殼精細的層片狀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，Clegg進行了結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計，首先模擬這種層片狀結(jié)構(gòu)制備了高韌性、大斷裂功的層片狀陶瓷復(fù)合材料，成果在Nature上發(fā)表后，迅速成為近10年陶瓷材料的研宄熱點之一。西北工業(yè)大學(xué)的Liuyi Xiang等研宄發(fā)現(xiàn)在HfC-SiC陶瓷中引入較弱的BN層可以顯著提高斷裂韌性，原因包含裂紋分叉、偏轉(zhuǎn)、分層等多種增韌機制。上海交通大學(xué)的LinJiang等采用一種薄片粉末冶金方法制備了 A1203/A1和CNTs/Al層狀復(fù)合材料，研宄發(fā)現(xiàn)高度有序的層狀結(jié)構(gòu)可以容納更多的位錯和CNTs，獲得高的強度和韌性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的B.X.Liu等采用反應(yīng)熱壓和擴散焊制備了 TiBw/Ti層狀復(fù)合材料，研宄發(fā)現(xiàn)純鈦層與復(fù)合材料層協(xié)同作用下層狀鈦基復(fù)合材料可以獲得較高的塑韌性。
[0004]目前層狀鈦基復(fù)合材料的常用制備工藝有:乳制復(fù)合、熱壓燒結(jié)、擴散焊接、熱噴涂、表面堆焊、電化學(xué)沉積和自耗電弧熔煉法等多種方法。但是制備過程中難以避免在界面處引入缺陷，層間結(jié)合較弱，導(dǎo)致層狀材料受載時裂紋很容易沿著層間界面迅速擴展最終導(dǎo)致綜合力學(xué)性能較差，難以有效實現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)的強韌化效果。本發(fā)明借鑒自然界中貝殼層狀結(jié)構(gòu)進行構(gòu)型設(shè)計，并采用粉末冶金和高溫熱軋制備層狀鈦基復(fù)合材料，通過高強復(fù)合層和高韌純鈦層的協(xié)同作用實現(xiàn)強韌性的良好匹配，達到改善傳統(tǒng)非連續(xù)顆粒增強鈦基復(fù)合材料韌性的目的，獲得具備優(yōu)良綜合性能的層狀鈦基復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為解決現(xiàn)有非連續(xù)顆粒增強鈦基復(fù)合材料韌性較差以及層狀鈦基復(fù)合材料層間結(jié)合較弱的技術(shù)問題，而提供一種采用粉末冶金制備層狀結(jié)構(gòu)Ti_(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料的方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種制備層狀結(jié)構(gòu)T1-(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料的方法，該方法包括如下步驟:
[0007]按照增強體的體積分數(shù)折算出制備增強體所需的Ti粉和LaB6粉的質(zhì)量，并稱取Ti粉和LaBf^v，具體是根據(jù)兩者高溫下的原位反應(yīng)式12Ti+2LaB6+3[0] = 12TiB+La203計算最終增強體體積分數(shù)分別為5 %、10 %、15 %時Ti粉和LaB6粉的比例，根據(jù)計算結(jié)果稱取所需的Ti粉和1^136粉；
[0008]將所述Ti粉和LaB6粉混合進行球磨后，采用轉(zhuǎn)速為150r/min旋轉(zhuǎn)攪拌機混合15min，得到混合粉體；
[0009]另取Ti粉，將所述鈦粉和混合粉體在模具中交替疊層鋪設(shè)后，在50?100T的壓力下進行冷壓成型I?3min，得到層狀結(jié)構(gòu)預(yù)制體；
[0010]將所述層狀結(jié)構(gòu)預(yù)制體在10_3Pa的真空度下，以10?20°C /min的速率勻速升溫至1200?1300°C，保溫I?4h后隨爐冷卻取出，獲得層狀結(jié)構(gòu)T1-(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料。
[0011]作為優(yōu)選方案，該方法還包括如下步驟:將所述層狀鈦基復(fù)合材料在1000?1100°C下進行多道次熱軋。
[0012]作為優(yōu)選方案，所述Ti粉和LaBf^v的粒徑分別為100 μ m和50 μ m。
[0013]作為優(yōu)選方案，所述球磨的條件是:以瑪瑙球為磨球，球料比為(I?5):1。
[0014]作為優(yōu)選方案，所述增強體在T1-(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料中的體積分數(shù)為5%、10%或 15%。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0016]本發(fā)明利用Ti和1^86在1300°C高溫下的原位反應(yīng)獲得層狀鈦基復(fù)合材料中的(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料強化層，即增強體，同時利用Ti粉在1300°C高溫下的致密化燒結(jié)，獲得具有較高致密度的層狀鈦基復(fù)合材料，而且LaB6的原位反應(yīng)可以吸氧，能夠降低層狀鈦基復(fù)合材料的氧含量，進一步改善性能。
[0017]本發(fā)明采用多道次高溫熱軋進一步提高層狀結(jié)構(gòu)T1-(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料的相對密度，細化晶粒并改善增強體分布，同時顯著減小層厚，借助尺寸效應(yīng)進一步提高綜合性能。
[0018]本發(fā)明的層狀鈦基復(fù)合材料的(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料層、Ti層和界面區(qū)域初始狀態(tài)均是粉末，在同一條件下燒結(jié)后三個區(qū)域能夠具備一致的相對密度，所以本發(fā)明制備的層狀鈦基復(fù)合材料界面區(qū)域不再是結(jié)合不良的缺陷區(qū)域，而是(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料層和Ti層之間的均勻過渡層。
[0019]本發(fā)明可以通過調(diào)整(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料層增強體含量、(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料層厚度、純鈦層厚度以及兩者的層厚比，來調(diào)整層狀鈦基復(fù)合材料的強韌化效果，獲得具有不同力學(xué)性能的層狀材料。
[0020]本發(fā)明制備的層狀結(jié)構(gòu)T1-(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料相比于單純的純鈦材料和顆粒增強鈦基復(fù)合材料，(TiB+La203)/Ti層中增強體的存在可以明顯細化晶粒，同時能夠承受高載荷并對裂紋偏轉(zhuǎn)，延遲純鈦層的頸縮，提高均勻塑性變形能力，而純鈦層的大量塑性變形可以鈍化裂紋改善復(fù)合材料的脆性斷裂模式，使其整體表現(xiàn)出良好的強韌化效果。
【附圖說明】
[0021]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0022]圖1是試驗I制備的層狀T1-(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料；其中Ia為截面宏觀體式顯微鏡照片，Ib為Ti層，Ic為(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料層，Id為界面區(qū)域，Ie為高倍下增強體形貌；
[0023]圖2為試驗I制備的增強體體積分數(shù)5%的(TiB+La203)/Ti復(fù)合材料對比試樣照片；其中2a為體式顯微鏡照片，2b為掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來