摘 要

钛基复合材料在高温抗蠕变性能、强度、抗氧化性等方面都要明显优于纯钛以及钛合金。在国防及工业的核心部件制造领域中有着举足轻重的地位。因而成为近些年材料研究领域的热点。本论文针对钛基复合材料的制备和力学性能进行实验研究，目的是研究其微观结构和力学性能的关系以及添加Al元素对其结构和力学性能的影响。以钛粉、铝粉、硼化碳粉为原料，通过真空电弧熔炼法得到钛基复合材料，对样品的组织结构和化学成分以及硬度进行了测试表征，结果表明Al元素能明显细化TiB增强体，随着Al元素的增加，TiB的长径比增加，钛基体的硬度增加。此外退火能够增加TiC第二相相的析出并提高材料整体硬度。

关键词:颗粒增强 复合材料 性能研究 制备工艺

Preparation and mechanical properties of titanium matrix composites.

Abstract

T Titanium matrix composites are superior to pure titanium and titanium alloys in creep resistance, strength and oxidation resistance at high temperature. It plays an important role in the field of manufacturing core components of national defense and industry. Therefore, it has become a hotspot in the field of material research in recent years. In this paper, the preparation and mechanical properties of titanium matrix composites are studied experimentally. The purpose is to study the relationship between the microstructure and mechanical properties of titanium matrix composites and the effect of Al addition on their structure and mechanical properties. Titanium matrix composites were prepared by vacuum arc melting using titanium powder, aluminium powder and carbon boride powder as raw materials. The structure, chemical composition and hardness of the samples were tested and characterized. The results show that Al element can refine TiB reinforcement obviously. With the increase of Al element, the aspect ratio of TiB increases and the hardness of TiB matrix increases. In addition, annealing can increase the precipitation of the second phase of TiC and improve the overall hardness of the material.

Key words: Particle reinforcement; Composite; Performance study;Preparation process

目 录

摘 ‌ 要 I

A‌b‌s‌t‌r‌a‌c‌t II

第一章 绪‌论 1

1.1 钛‌‌‌合‌‌金‌‌及‌‌钛‌‌基‌‌复‌‌合‌‌材‌‌料 1

1.2 钛‌基复‌合材‌料‌的制‌备方‌法 1

1.2.1 熔‌铸‌法 1

1.2.2 粉‌末‌冶‌金‌法 2

1.2.3 机‌械‌合‌金‌化‌法 2

1.2.4 自‌蔓‌延‌高‌温‌合成‌法 2

1.2.5 反‌应‌热‌压‌法 3

1.3 钛‌基‌复‌合‌材‌料‌基体‌及‌增‌强‌相‌的‌选‌择 4

1.3.1 钛基‌复‌合‌材‌料基‌体‌的选‌择 4

1.3.2 钛‌基复‌合‌材‌料增‌强相的‌选择 4

1.3.3 增‌强‌相‌对‌组‌织‌及‌性‌能‌的‌影‌响 4

1.4 热‌处‌理‌对‌钛‌基‌复‌合‌材‌料‌显‌微‌组‌织‌的‌影‌响 5

1.4.1 热‌处‌理‌对‌基‌体‌显‌微‌组‌织‌的‌影‌响 5

1.4.2 热‌处‌理‌对‌增‌强‌相‌的‌影‌响 5

1.5 钛‌基‌复‌合‌材‌料‌研‌究‌进‌展 5

1.6 课‌题‌的‌主‌要‌研‌究‌内‌容 6

第二章 实验方法 7

2.1 实‌验‌原‌‌料‌和设‌备 7

2.2 工‌艺‌流‌程 7

2.3 钛‌基‌复‌合‌材‌料‌的‌制‌备 8

2.3.1 设‌计‌成‌份 8

2.3.2 钛‌基‌复‌合‌材‌料‌的‌熔‌炼 9

2.4 分‌析‌方‌法 9

2.4.1 金‌‌相‌‌组‌‌织‌‌观‌‌察 9

2.4.2 扫‌‌描‌‌电‌‌镜‌‌观‌‌察 10

2.4.3 物‌‌相‌‌分‌‌析 10

2.4.4 硬‌‌度‌‌测‌‌试 11

2.5 退‌火‌处‌理 11

第三章 结‌果‌与‌讨‌论 13

3.1 （TiB TiC）/Ti复‌‌合‌‌材‌‌料‌‌组‌‌织 13

3.1.1 （TiB TiC）/Ti复‌‌合‌‌材‌‌料‌‌的‌‌相‌‌组‌‌成 13

3.1.2 （TiB TiC）/Ti复‌‌合‌‌材‌‌料‌‌的‌‌显‌‌微‌‌组‌‌织 14

3.2 （TiB TiC）/Ti复‌‌合‌‌材‌‌料‌‌的‌‌硬‌‌度 17

3.3 退‌‌火‌‌对‌‌钛‌‌基‌‌复‌‌合‌‌材‌‌料‌‌组‌‌织‌‌和‌‌硬‌‌度‌‌的‌‌影‌‌响 20

3.3.1 退‌‌火‌‌对‌‌钛‌‌基‌‌复‌‌合‌‌材‌‌料‌‌显‌‌微‌‌组‌‌织‌‌的‌‌影‌‌响 20

3.3.2 退‌‌火‌‌对‌钛‌‌基‌‌复‌‌合‌‌材‌‌料‌‌硬‌度‌‌的‌‌影‌‌响 21

第四章 结‌‌论‌‌与展‌‌望 24

4.1 结‌‌论 24

4.2 展‌‌望 24

参‌‌考‌‌文‌‌献 25

致‌谢 27

1. 绪论

1.1 钛合金及钛基复合材料

Ti及其合金具有其他金属无可比拟的优良特性。例如高比强度、耐氧化性好、具有稳定的尺寸等优点。在飞机、船舶、冶金、汽车等工业领域；都有着举足轻重的地位^[1-3]。但是也存在比刚度低、高温抗蠕变性能差、成本高昂等缺点，限制了钛合金的进一步推广应用。为了突破这些局限性使得材料能够更好的为人类社会服务。研究推广钛基复合材料已经是钛领域未来发展的趋势。

钛基复合材料是以Ti或其合金作为基体，通过引入增强体而具有更优异性能的材料^[4-6]。按照增强相的不同，钛基复合材料可以分为颗粒增强钛基复合材料和连续纤维增强钛基复合材料两大类。其中连续纤维增强钛基复合材料主要使用B纤维、C纤维作为材料的增强相。因为增强相原料价格贵，对制备工艺的要求较高，阻碍了其实际发展。相对于连续纤维增强钛基复合材料，颗粒增强钛基复合材料不仅增强相原材料价格更加便宜。同时所制备的材料结合了基体和增强相的优点从而拥有更好的使用性能^[7-8]。因此具备更广阔的市场和应用前景。

在颗粒增强增强复合材料的研究中，大多数都集中在材料的制备工艺中。目前国内普遍采用原位合成法来制备钛基复合材料，使用TiC、TiB、石墨烯等为增强相。其中TiB、TiC由于相对低廉的成本、良好的相容性、各向同性、制备工艺简单。而成为目前钛基复合材料主流的增强相^[9-10]。

随着国内外对钛基复合材料投入更多的资源进行更为深层次的研究。更低成本的制备工艺、更优性能的材料一定会被开发出来。钛基复合材料也一定会成为军用、工业领域不可或缺的重要一环，更好的为人类社会的进步服务。

1.2 钛基复合材料的制备方法

1.2.1 熔铸法

该技术通过高温熔炼，将钛基体材料与所设计选择的增强体放入高温熔炉中，在高温下发生原位自生反应形成复合材料。该方法的优点是成本低，工艺简单，方便制造复杂结构件^[11]。本实验采用的熔炼方法为真空电弧熔炼制备钛基复合材料。

戚继球^[12]使用该种方法，以纯Ti粉末和C粉为原料，设计TiC为增强体。制备了不同TiC含量的复合材料。并研究了材料中所含有TiC量的多少、凝固时的冷却速度对该材料组织结构以及性能的影响。结果表明当TiC体积百分比数lt;15%时， TiC添加量越高，材料在25℃下的强度也越高，但是塑性会显著降低。当TiC的体积含量gt;15%时，该材料的发生了极其严重的脆化现象，从而失去了材料的使用价值，无法在现实工业中使用。

1.2.2 粉末冶金法

粉末冶金法起源于远古制铁时代，发展到今天相对于其他合成方法其工艺已经十分的完善。该方法是将增强体与基体以粉末的状态混合均匀并进行加压加热烧制，从而得到所需的复合材料。该方法的不足是工艺复杂难以制备大尺寸零件^[13]。

南昌大学吴波等^[14]，以Cu、Ti、B₄C为原料，通过球磨高温压制成型，发现压制压力越高，材料内部致密度越好，硬度越高。香港城市大学Ma^[15]等以海绵钛、TiB₂、B₄C为原料，通过高温挤压成型，发现Ti-B₄C系的强度和性能更好。

1.2.3 机械合金化法

机械合金化法是通过高能球磨使金属粉末首先发生接连的变形，然后进行冷焊，最后发生破碎。使得各元素在体系中分布均匀。再使用热压烧结或者等离子放电等粉末冶金技术制得钛基复合材料。该方法的优点是不受相律的影响，能够合成超细微高熔点的钛基复合材料。缺点是工艺复杂，生产效率低下，且易引入杂质元素影响材料性能^[16]。

Jia^[17]等以Ti、B、Mo粉末为原料，采用机械化合金法制备了体积百分比数为10的Ti B/Ti-4.0Fe-7.3Mo复合材料，研究表明烧结时将工艺参数控制在20兆帕、1000℃时，是TiB晶须形成的最佳条件。

1.2.4 自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法是指在材料的某一个部位进行加热，随着热量的不断传导致，使体系内的物化反应自发进行，通过燃烧波的蔓延扩散来获取所需的材料。该方法的优点是生产效率高，产品纯度高，工艺设备简单。缺点是易产生孔隙，降低材料使用性能^[18]。图1-1为自蔓延高温合成反应的示意图。

图1-1 自蔓延高温合成反应示意图

张小农 ^[19]等以该种方法制备了TiB-TiC-Ti6242体系的钛基复合材料，研究表明TiB与TiC增强体可以使钛合金基体颗粒更加的细小。

1.2.5 反应热压法

反应热压法是使基体与增强相在高温高压的情况下进行化学反应制备复合材料。该方法的优点是所合成的复合材料品质较高。这得益于该技术同时控制压力与温度使得反应时间很短，削弱了颗粒生长的条件^[20]。反应热压法烧结模具的示意图如图1-2。

周伟民^[21]等利用该种制备方法合成了增强相含量不同的（TiB TiC）/Ti复合材料。并观察了该种复合材料的组织结构和形貌，并且进行了XRD的物相分析。结果表明TiB增强相的微观形貌为短纤维状、TiC增强相为大致对称的等轴粒子状。研究还发现了，TiB、TiC含量的增加对该材料的硬度有明显的强化作用，但该材料致密度与TiB、TiC的含量之间的关系呈负相关。

图1-2 反应热压法烧结模具示意图

1.3 钛基复合材料的基体及增强相的选择

1.3.1 钛基复合材料基体的选择

对于颗粒增强钛基复合材料，所选基体的种类对复合材料整体物化特性至关重要。在选择基体时需要综合考虑复合材料的实际需求、基体本身的物化性能、以及与增强相是否能够很好的相容等因素。钛及钛合金基体适合在450℃—600℃下使用。本文采用纯Ti作为所制备复合材料基体。

1.3.2 钛基复合材料增强相的选择

选择钛基复合材料增强体的标准为：高温性能好，硬度高，和钛基体拥有良好的化学和物理相容性以防止基体与增强体脱落而造成材料的失效。表1-1列举了主流颗粒增强钛基复合材料增强体的物化性能。由表中的数据可以看出，硼化钛、碳化钛、二硼化钛这三种增强体的密度在4g·cm^-3—5g·cm^-3的范围内，与钛的密度（4.5 g·cm^-3）最为靠近。其中TiB₂在反应体系中十分活跃，易与过量的Ti发生化学反应生成TiB。因此不适合作为增强体来选择。而TiB与TiC在体系中十分稳定，且拥有与Ti十分可靠的相容特性，在高温下不会因为热膨胀系数的差异导致材料的缺陷失效。因此TiC与TiB成为钛基复合材料的理想增强体。综上所述，本实验采用TiB、TiC作为所需制备材料的增强相。

表1-1 主流颗粒增强钛基复合材料增强体的物化性能

1.3.3 增强相对复合材料组织及性能的影响

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