钛基复合材料的性能及制备.docx

《钛基复合材料的性能及制备.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钛基复合材料的性能及制备.docx（8页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、钛基复合材料的性能、制备及应用摘要钛拥有比其他任何结构材料更高的比强度，并且钛在中温是能比铝合金更好的保持强度。 所以广泛应用在航天航空领域。如何降低制备成本成为钛基复合材料走向广泛市场应用的关键之一。 ，颗粒增强钛基复合材料由于具有各向同性、制备较简单、易加工成型、成本较低等特点，受到人们的关注，成为新的研究热点。关键词钛基复合材料，颗粒增强，制备技术1. 前言钛基复合材料是复合材料中运用的较多的一种。它的主要热点是高的比强度，比硬度，并且可以抗高温。 主要运用于超高音速飞机盒下一代的先进航空发动机。由于航空航天技术对于轻量化和耐热性的需要，钛基复合材料从80 年代开始就是材料科学的研究热点

2、。我国钛资源丰富， 钛基复合材料虽已得道应用但研究仍然处于起步阶段。2. 钛基符合材料的性能钛拥有比其他任何结构材料更高的比强度，并且钛在中温是能比铝合金更好的保持强度。除了高强耐热，钛合金还具有两个优点。1 钛合金的热膨胀系数比其他绝大多数结构材料小。2 再制造复合材料时，非纵轴的增强物的用量就可以减弱集体的需要量。这也导致了钛合金备受关注。钛合金的主要优点就是具有高的热强性，在300 摄氏度以上就有特别的突出，针对高温钛合金应达到以下综合性能要求。在工作温度范围内， 合金需要有较高的瞬时和持久强度。室温拉伸强度应大于 100 千克牛每平方毫米， 400 摄氏度， 100 小时持久强度应达到

3、 75 千克牛每平方毫米， 500 摄氏度， 100 小时小时持久强度应达到 65 千克牛每平方毫米。室温下需要具有较好的塑性，延伸率大于 10%，断面收缩率大于 30%，冲击韧性大于 3 千克牛米每平方厘米。需要具有良好的热稳定性， 合金在高温和应力的长时间作用下能保持自身的塑性，至少在 20 到 500 摄氏度的任何温度下保持 100 小时不发生脆化，最好是在整个工作寿命里都不发生脆化在室温和高温下都需要具有高的疲劳性能。光滑式样的室温疲劳极限不应低于拉伸强度的45%，在 400 摄氏度不应低于该温度下拉伸强度的50%，疲劳性能对于受震动载荷的零件，例如压气机转子叶片，这点就特别重要。高的

4、抗蠕变技能。至少在400 摄氏度和 50 千克牛每平方毫米应力下，100小时后的残余变形不能超过0.2%。对于在工作过程中承受大的拉应力的零件，如压气机转子盘件，抗蠕变性能就显得更为重要。钛基复合材料正式因为具有上诉特别优异的性能才在航天航空事业中起到举足轻重的作用。钛合金是当代战机的主要结构材料之一，例如，第三代F15战斗机中钛合金用量占 27%，钛基复合材料可代替 300M 钢用于飞机起落架。美国战斗机中 F|A22 使用了最多的钛合金和钛基复合材料，钛合金占了 36%。3颗粒增强钛基复合材料钛基复合材料发展很快， 但作为一种昂贵的新型材料， 尚处于发展之中。 如何降低制备成本成为钛基复合

5、材料走向广泛市场应用的关键之一。 连续纤维增强钛基复合材料虽然在航天航空领域显示出它巨大的应用潜力， 但因其昂贵而复杂的制备过程以及性能上的各向异性， 使它难以推广应用。 与之相比，颗粒增强钛基复合材料由于具有各向同性、制备较简单、易加工成型、成本较低等特点，受到人们的关注，成为新的研究热点。发展颗粒增强钛基复合材料，首先应对基体相和颗粒增强相有正确的选择。复合材料设计中很重要的一点是要保证基体和强化相之间有很好的化学和力学相容性。也就是要防止基体和增强相之间发生化学反应。因为反应使得增强相退化，降低强化效果， 同时由于反应引起的局部体积变化和反应生成的脆性相而严重影响复合材料的强度。 除此之

6、外，基体和增强相的热膨胀系数如相差较大，当增强相的热膨胀系数大于基体时，会在界面上形成拉应力， 容易在界面上形成裂纹，最终导致材料的破坏。颗粒增强钛基复合材料的基体主要有-Ti 、 -Ti和( +)-Ti ，其中 -Ti 弹性模量小，在成形加工回弹大，冷加工性能较差； -Ti 在高温下原子扩散系数较大， 合金的抗高温蠕变性能下降。 在钛合金中， 由于 Ti-6Al-4V 有很高的强度、高的断裂韧性以及良好的高温加工性能， 因此是一种较好的基体材料，而且基体的热膨胀系数可以通过添加适当的合金元素进行调整。 目前，Ti-6Al-4V被认为是钛基复合材料较为合适的基体材料。增强相的选择对于复合材料的

7、性能非常重要。 颗粒增强钛基复合材料中颗粒增强相的体积分数一般在 5%20%。增强相的主要作用是提高材料的耐磨性能、硬度、高温性能和抗蠕变性能，所用的增强相通常是一些高熔点、高硬度、高耐磨性的金属陶瓷、金属间化合物和氧化物。 理想的增强相应具有 2 个条件，第一，刚性、强度、硬度等物理或力学性能优良；第二，高温稳定性好，与钛合金基体的热膨胀系数差别小。通过长期的研究，人们认为对于钛基复合材料较为理想的颗粒增强相主要有以下几种： SiC，TiC，B4C， Ti2B，TiB 和 ZrB2 等。对各种增强相的对比研究表明，硬度由大到小的顺序为 TiB,CrBB4CSiCTi5Si3 ；残余应力由大到

8、小的顺序为 CrBSiCB4CTi5Si3TiB；与钛结合的化学稳定性由大到小的顺序为TiBTi5Si3CrBB4CSiC，由此可见， TiB 是一种较为理想的钛基增强相。复合材料的强化效果取决于将应力从基体转移到高强度增强相的能力。因此获得一个强的基体 / 增强相的结合界面十分重要。 多数资料报道 TiB 和 TiB2 在钛合金中很稳定，颗粒与钛合金基体间不发生反应，属于非反应体系。TiC 与钛合金基体间存在一定程度的界面反应，但反应较简单。Ti2B 作为颗粒增强相，由于与钛完全相容而引人注目， 但是近年来的一些研究发现Ti2B 会和 Ti 发生反应生成 TiB 。 TiB2 在 TiAl

9、基体中稳定性最好。4. 颗粒增强钛基复合材料的制备技术4.1 粉末冶金法粉末冶金法是将颗粒与金属粉充分混合后冷压成型， 真空加热到固液两相区内热压，将热压后坯料进行热挤压或冷轧制成零部件。粉末冶金法有三个步骤：粉末混合、压实和烧结。肖永亮等用粉末冶金法制备了纳米 SiC 颗粒增强铝基复合材料，经实验发现， 材料的组织均匀而且细小。 粉末冶金法的优点是不存在界面反应，可以制备出大体积分数的复合材料， 任何合金都可以作为基体材料， 允许使用几乎所有种类的增强相；增强颗粒分布均匀，质量稳定。董树荣等 8 用粉末冶金法制备了纳米碳管增强铜基复合材料， 纳米碳管体积分数显著影响复合材料的综合性能，纳米碳

10、管含量在 12vol%左右时复合材料的致密度和硬度达到较好的综合值。但是粉末冶金法也存在一些问题, 如成本高，一般需要二次成型；工艺程序复杂，植被周期长；粉末在球磨过程中形状受到限制等问题。4.2 搅拌铸造法该方法是将增强体加入到基体金属液中，通过高速旋转的搅拌器使液相和固相混合均匀，然后浇入到铸型中。这种方法的关键是将增强体均匀分布于基体中，并且是基体和增强相之间有良好的界面结合，搅拌铸造法可分为液相搅拌法和液固两相搅拌法。搅拌铸造法有很多优点，如：成本低，便于一次形成复杂工件，所需设备相对简单， 能够适应批量生产。 但是仍存在一些问题， 如在搅拌过程中陶瓷颗粒的偏聚问题，陶瓷颗粒在液体中分

11、布的均匀性问题、界面反应问题等。另外，非真空搅拌铸造时， 在搅拌的过程中容易引入气体， 致使产品内部产生气孔。同时利用这种方法制取金属基复合材料时， 颗粒增强相的体积分数会受到限制。4.3 挤压铸造法挤压铸造法首先是将增强体做成预制块，放入模具，再浇入基体合金熔液，随后加 压， 使基 体熔 液渗 入 预制 块成 锭。 崔岩 等用 挤压 铸造 法制 备出45vol%-50vol% 的性能优异的 SiCP/A1 复台材料。热物理性能数据与理论预测的一致说明材料是均匀的，无明显缺陷存在。SiC-Al 界面有良好的结合，界面能够起到有效传载的作用，很好地约束Al基体的嘭胀， 且界面热阻较小， 结合十分

12、紧密。 挤压铸造法可制备出形状和最终制品相同或相似的产品； 液态金属浸渗的时间短， 冷却速度快， 可降低乃至消除颗粒界面反应； 增强相的体积分数在较大范围内可调。但是挤压铸造不易制备形状复杂的制件，当浸渗压力很大时，对模具和所制件的完整性有很大的影响。4.4 高能超声复合法采用高能超声制备金属基复合材料， 能在极短的时间内使增强相在基体中达到较好的分散， 并兼具除气， 除渣的作用。 超声能引起固液界面能的变化导致润湿性的改善，声空化泡崩溃时产生的强烈冲击波使团聚物分散开，同时在具有较高速度和加速度的声流效应的协同作用下，高能超声可使增强体在基体金属中均匀弥散分布。在超声波的作用下，熔体粘度的下

13、降，使气泡上浮除气，进而降低复合材料制品中的气孔率， 改善材料的力学性能。 潘蕾等 12 利用高能超声复合法制备了 SiCP ZA27复合材料 ( 其中 SiC 颗粒的最小粒径可达0.5 m)。对其进行力学测试结果表明 随颗粒尺寸和含量的增加， 复合材料的抗拉强度和弹性模量有所提高 , 但颗粒含量对力学性能的影响远比粒径显著。4.5 喷射沉积法喷射沉积法是使金属熔体和陶瓷增强相颗粒在雾化器内混合， 然后被雾化喷射到水冷的基体上成型。 通过喷射沉积技术制取金属基复合材料， 金属熔滴和陶瓷增强相颗粒接触的时间极短， 有效地控制了界面化学反应。 控制工艺气氛也可最大限度的控制氧化反应的发生。 喷射沉

14、积法应用范围广， 几乎可以适用任何基体和陶瓷颗粒增强相。陈振华等采用多层喷射共沉积工艺制备了 6066 铝合金 /15%SiC 颗粒复合材料，得到了增强颗粒分布均匀、增强颗粒与基体界面洁净、基体冷凝速度高的沉积坯，沉积坯经挤压后进行了 T6 处理，其力学性能为 b=640MPa， 0.2=510MPa，E=133GPa，=9.4%。4.6 原位复合法在金属基复合材料的制备过程中，增强体与金属基体之间的相容性，即增强体与金属基体的润湿性是需要解决的问题。同时，增强体与金属基体之间都存在界面反应，它也影响到金属基复合材料在高温制备时和高温应用时的性能和稳定性。如果增强体 ( 颗粒、纳米颗粒、晶须等

15、 ) 能从金属基体中直接 ( 即原位 ) 生成，则上述相容性问题就可得到明显改善。 原位生成的增强体与金属基体界面能有良好的结合，生产相的热力学稳定性好， 增强体与金属基体之间的润湿和界面反应也得到很好解决， 这种制备方法就是原位复合法。 原位复合法工艺也有缺点， 工艺过程较难掌握，增强相的成分和体积分数不易控制。目前报道的原位合成技术主要有： 原位热压技术、 XD技术、CVD技术、DIMOX技术和熔体浸渍技术和反应结合技术及 SHS技术等。5. 钛基复合材料展望金属基复合材料发展至今， 一直存在着两个重要问题， 就是有害的界面反应和颗粒的偏聚问题， 这两个问题给复合材料的制备带来很多不利，

16、人们一直在努力寻求解决这两类问题的办法。 选择合适的制备工艺可在一定程度上控制有害的界面反应和偏聚问题。钛基复合材料材料的性能非常优秀，但是钛作为一种贵重金属， 成本是钛基复合材料必须要仔细考虑的问题。比如在制备方法上， 应当发展比成本的制备工艺，以便与在民用工业上推广。燃烧合成法，熔铸法是低成本的制备方法，将会得到更为广泛的应用。另外在设计方面，我们需更加侧重于集体材料的合理设计，自生钛基复合材料的增强相以颗粒状存在时增强效果最好。目前金属基复合材料还处于研究阶段，由于成本原因暂时只应用在航天军工方面，大批量工业生产还做不到。其优异的力学性能、 热性能会吸引人们不断的探索研究具有优异性能且价

17、的金属基复合材料及制备工艺。参考文献1 罗锴，梁振峰 . 颗粒增强钛基复合材料的研究进展 J 金属学报， 2002，38( 增刊 ) ：500-5042 郝斌，王洪斌，蔡元华 . 等颗粒增强金属基复合材料制备工艺评述 J. 热加工工艺， 2005，(4) ：62-66 3 梁立超，白彧，杨玉山 . 等SiC 颗粒增强 AZ91镁基复合材料的研究 J. 沈阳工业大学学报， 2007， 29(2) ：139-1434 李俊刚，金云学，李庆芬 . 颗粒增强钛基复合材料的制备技术及微观组织 . 稀有金属材料与工程第 33 卷 第 12 期2004,125 夏明星，胡锐，李金山，薛祥义，王一川，周康.自

18、生TIC 颗粒增强钛基复合材料的研究进展.材料导报2007.56 张二林 朱兆军 曾松岩 . 自生颗粒增强钛基复合材料的研究进展 . 稀有金属 1999 第 6 期7 曾立英 邓炬 白保良 赵永庆 . 连续纤维增强钛基复合材料研究概况 . 稀有金属材料与工程 2000 第 3 期8 张小农 卞玉君 . 颗粒增强钛基复合材料的制备与性能 . 宇航材料工艺1998 第 2 期9 汤慧萍 黄伯云 刘咏 王海兵 . 粉末冶金颗粒增强钛基复合材料研究讲展 .粉末冶金技术2004 第 5 期10 吕维洁 卞玉君 . 颗粒增强钛基复合材料研究进展 . 材料导报 1999 第6 期11 袁武华 吉喆 张召春

19、杨寿智 . 钛基复合材料及其制备技术研究进展 . 材料导报 2005 第 4 期12 毛小南 . 颗粒增强钛基复合材料在汽车工业上的应用. 钛工业进展2000 第 2 期13 吕维洁 杨志峰 等 . 原位合成钛基复合材料增强体TiC 的微结构特征 .中国有色金属学报2002 第 3 期14曾卫东 周义刚P W M Peters.纤维增强钛基复合材料界面剪切强度的FEM分析 .稀有金属材料与工程2002第 6 期15 于兰兰 毛小南 赵永庆 张鹏省 袁少冲 . 颗粒增强钛基复合材料研究新进展 . 稀有金属快报 2006 第 4 期 .16 曾泉浦，王彰默，毛小南，伍本德，陆锋 等颗粒强化钛基复合材料的研究 J. 稀有材料金属与工程， 1991，6(2) ：59-65.17 罗国珍 . 钛基复合材料的研究与发展 J. 稀有金属材料与工程 . 1997(02)18 毛小南 , 曾泉浦 . 颗粒强化钛基复合材料的氧化特性 J. 稀有金属材料与工程 . 1997(01)