Ti基复合材料及其制备技术研究进展评述要点.docx

儿京航左就天大孚先进材料制备科学与技术课题报告——Ti基复合材料及其制备技术研究进展报告学院： 材料科学与工程学除 学号： SY1401210 姓名： 刘正武 2014年12月24日i摘要钛基复合材料（TMCS）以其高的比强度、比刚度和良好的抗高温、耐腐蚀性能，在航空航天、 汽车等领域有着广阔的应用前景，引起了材料研究者的广泛兴趣国外对钛基复合材料的研究 已有近40年的历史，发展相当迅速，开发出来的原位合成工艺、纤维涂层等制备技术已经成功 用于制备高性能钦基复合材料国内 TMCS研究起步较晚，虽取得了一定成绩，但与国外相 比还有一定差距本文主要从钛基复合材料的研究背景，强化原理，以及存在的主要问题方面做了总结，并 对国内外的研究现状作了简要评述钛合金本身具有较高的室温和高温比强度、低密度、高弹 性模量加入增强相，又进一步提高比弹性模量、比强度和抗蠕变能力颗粒增强钛基复合材 料（PTMCM纤维增强钛基复合材料（FTMCS）目比，具有制备工艺较简单，成本较低，无各向异 性，可得到近净型零件等优点，是很有前途的复合材料自生钛基复合材料基体将由纯钛基体 向Ti6Al转化，并加入其它的合金元素，会得到实际应用。

关键词：钛基复合材料；性能；制备；研究进展2目录第1章前言 41.1 研究背景及原理 41.2 主要问题 5第2章 国内外研究进展及评述 62.1 Ti基复合材料增强体的种类 62.2 陶瓷颗粒增强钛基复合材料 72.3 自生钛基复合材料 11第3章结论 13参考文献 14第1章前言1.1 研究背景及原理随着科学技术的大力发展，对材料性能的要求也越来越高，现有高强度、高模量、耐高温、 低密度的单一材料已远远不能满足使用要求 为此，国内外大量学者采用复合技术将不同性能 的材料复合起来，取长补短，得到单一材料无法比拟的 “综合性能优越的新型复合材料复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体，通过复合工艺形成的材料它克服了单一材 料的某些弱点，产生协同效应，使之综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求与普 通单增强相复合材料相比，其冲击强度"疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀 性能复合材料的种类繁多，按其基体材料不同可分为金属基 "树脂基和陶瓷基复合材料目前，金属基复合材料是我国应用较为广泛，发展迅速的复合材料它采用金属或合金为 基体，以纤维，晶须，颗粒等为增强体，通过合理的设计和良好的复合工艺，使基体和增强体 之间取长补短，发挥了各自的性能及工艺优势与传统的金属材料相比， 金属基复合材料往往具有更高的比强度（强度和密度之比），比模量（模量和密度之比更），好的耐热性以及更低的热 膨胀系数。

迄今为止，由于金属基复合材料的制备工艺不完善，成本高等因素，导致难以大规 模生产钛合金具有比强度高、抗蚀性和耐热性优异等突出优点，是航空航天飞行器、先进武器系 统的主要结构材料之一，可达到减轻重量、提高结构效率和可靠性、延长使用使用寿命的目的 钛合金在国外第三代战斗机上用量已达到 15%-25%在第四代战斗机F-22上用量高达41%钛合金本身具有较高的室温和高温比强度、低密度、高弹性模量加入增强相，又进一步提高比弹性模量、比强度和抗蠕变能力颗粒增强钛基复合材料 （PTMCS）f纤维增强钛基复合材料（FTMCS）目比，具有制备工艺较简单，成本较低，无各向异性，可得到近净型零件等优点， 是很有前途的复合材料1.2 主要问题大推重比发动机及高超音速飞行器的快速发展对材料耐高温性能提出了越来越高的要求目前，普遍认为传统的高温钛合金的“热障”温度为 600 C o在“热障”温度以上，钛合金在 服役过程中蠕变抗力和高温抗氧化性能的急剧降低， 制约了钛合金使用温度的提高虽然材料学家期望通过合金化手段提高钛合金的耐高温性能， 但收效甚微因此，为了满足航空航天武器装备轻量化及耐高温要求，开发以钛合金为基体的钛基复合材料 （TMCs）逐渐引起了材料研究者的极大兴趣。

在钛基复合材料的制备方法上，应发展低成本的制备工艺，以适应在民用工业上的推广应 用燃烧合成法、熔铸法作为自生钛基复合材料低成本的制备方法将会得到广范应用 在材料的设计方面，侧重于基体材料的合理设计自生钛基复合材料基体将由纯钛基体向 Ti6Al转化，并加入其它的合金元素，会得到实际应用自生钛基复合材料的增强相以颗粒状存在时增 强效果好，纯钛及Ti6Al基体的增强相会以共晶TiC为主用熔铸法制备的钛基复合材料， 由于其成本低，易于生产，复合材料性能可以满足使用要求，必然会被用于民用工业上，尤其 是汽车工业用熔铸法制备的钛基复合材料，在制备过程中，当其增强相形态及数量达到可控 及可进行设计时，复合材料的应用将会有更大的发展第2章国内外研究进展及评述Ti基复合材料除力学性能优异外，还具有某些特殊性能和良好的综合性能，应用范围广泛 依据基体合金的种类可分为：轻金属基复合材料，高熔点金属基复合材料，金属间化合物基复 合材料；按增强相形态的不同可划分为：连续纤维增强金属基复合材料，短纤维增强金属基复 合材料，品须增强金属基复合材料，颗粒增强金属基复合材料，混杂增强金属复合材料2.1 Ti基复合材料增强体的种类Ti基复合材料的增强体是一些不同几何形状的金属或非金属材料。

目前，具增强相已有很多，重要的有氧化铝纤维，硼纤维，石墨（碳）纤维；颗粒型的有碳化硅，碳化硼等；丝状的 有鸨，钺，硼等金属基复合材料按其增强材料的几何形态可划分为以下几类：1）连续纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料是利用无机纤维（或晶须）及金属细线等增强金属得到质量轻且 强度高的材料，纤维直径从3-150叩（晶须直径小于1叩），纵横比以上102以上在现有的 各种类型增强体中，高性能连续纤维具有最明显的增强效果和更高的强度及刚度 连续纤维增强复合材料具有明显的各向异性， 但连续纤维增强复合材料的复合和加工工艺独特、 复杂、不易掌握和控制，因此该类复合材料的制造成本很高 ！连续纤维增强金属基复合材料主要用于较 少考虑成本的航天航空等尖端技术领域2）短纤维增强金属基复合材料作为金属基复合材料增强体的短纤可分为天然纤维制品和短切纤维 天然纤维主要是一些 植物纤维和菌类纤维索等，长度一般为 35-150mm短切纤维一般是由连续纤维（长纤维）切割 而成，长度1-50mm,用于金属基复合材料短纤维增强体的材料主要有碳化硅等短纤维增强金属基复合材料成本比连续纤维增强金属基复合材料低得多， 与基体合金相比，短纤维增强金属基复合材料具有较高的比强度"比刚度和高耐磨性，其各向异性要远远小于连续纤维增强复 合材料。

短纤维增强金属基复合材料中增强体的体积分数一般不超过 30%,主要用于汽车行业，电力行业等3）品须增强金属基复合材料晶须是指在特定条件下以单晶的形式生长而成的一种高纯度纤维，其原子排列高度有序， 几乎不含晶界位错等晶体结构缺陷，有异乎寻常的力学性能作为金属基复合材料的增强体使 用的晶须使用做多，性能较好的是碳化硅晶须，成本最低的是 AI2O3B2O3晶须，与连续纤维增强金属基复合材料相比，其各向异性极小；与短纤维增强复合材料相比，晶须增强复合材料的 性能更高；而晶须在复合材料中的体积分数一般不超过 30%主要用于航空航天等高新技术领域，如飞机架构”推杆加强筋等4）颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料是利用颗粒自身的强度，其基体起着把颗粒组合在一起的作用， 颗粒平均直径在1叩以上，强化相的容积比可达90%常用作金属基复合材料增强体的颗粒主 要有SiC, AI2O3等陶瓷颗粒，以及石墨颗粒，甚至金属颗粒，颗粒增强金属基复合材料是各 向同性，颗粒价格最低，来源最广，复合制备工艺多样，最易成形和加工的复合材料在各种 金属基复合材料中，颗粒增强金属基复合材料的使用范围最广， 不仅包括航空，航天及尖端军 事领域，还适于交通运输工具，微电子，核工业等商业应用。

2.2 陶瓷颗粒增强钛基复合材料哈尔滨工业大学的彭德林，赵陆华等对陶瓷颗粒增强钛基复合材料进行了深入研究通过 在钛基体中添加相应的增强相制备钛基复合材料 （TMCs）已成为钛合金的一种发展趋势TMCs 分为连续纤维增强钛基复合材料（FTMCs）和颗粒增强钛基复合材料（PTMCs）两大类与FTMCs 相比,PTMCs具有易加工、成本低、二次加工性好、材料具有各向同性的优点TMCs材料的研究始于20世纪70年代早在1929年已有类似材料一一金属陶瓷的诞生 金属陶瓷是一种由硬质相和金属（或合金）粘结相组成的颗粒型金属-陶瓷复合材料，硬质颗粒 嵌入金属或合金粘结相内，一般硬质颗粒（陶瓷相颗粒）约占15%- 85%体积分数）应用比较早的有Ti （C,N）基金属陶瓷和TiC基金属陶瓷前者由于红硬性高、横向断裂强度高、抗氧化 性强、热导率高而被广泛用于切削刀具增强颗粒一般具有较低的密度、较高的弹性模量和良 好的强度，加入钛合金基体中后既可以提高材料的比强度、 比模量和高温蠕变性能，还能使钛合金具有优良的耐腐蚀性和耐磨性，能满足航空航天工业的发展对耐磨、耐蚀材料的高要求近 年来，随着耐火材料的发展，非氧化物陶瓷（如碳化物、氮化物、硼化物等）因具有导热系数高、 热膨胀系数低、抗熔融金属侵蚀性优良、耐磨性好等优点而引起了耐火材料界的广泛关注。

Ti-N-C-O系化合物中,TiC和TiN是两种非常重要的陶瓷材料在装甲陶瓷材料领域，钛基陶瓷复合材料也以其优异的性能引起了研究人员的关注常用 的增强颗粒有TiB,TiB2,SiC,B4C,GrB,Ti5Si3等，其中TiB因热稳定性与弹性模量高、硬度大而被 广泛应用于高技术陶瓷中颗粒增强钛基复合材料的加工制造工艺比较经济且简便可行常见的几种加工工艺 ，制备PTMCs的方法有很多，按颗粒生成方式可分为颗粒预处理后的直接加入法和原位反应生成法根据反应合成时基体温度的高低，又可将原位反应制备PTMCs的方法分为液相反应生成法和 周相反应生成法用原位反应方法制备的颗粒增强钛基复合材料的增强相与基体的相容性好 ，避免了外加增强相的污染问题以及增强相与基体的界面之间的化学反应问题 ；增强相和基体在热力学上很稳定，因此复合材料在高温工作时性能也不易退化1）粉末冶金法粉末冶金法是目前研究最多同时也是一种很有发展前景的方法 ，包括冷等静压和热等静压它是将混合好的颗粒与钛合金粉末混合均匀后 ，在模具中经压型、真空烧结、冷等静压或热等静压从而获得复合材料由于烧结温度低于钛的熔点，界面处的反应不是很强烈，则可以在 较大范围内调整粉末的粒度和组成，从而优化工艺。

烧结后的产品可以再利用传统的挤、锻、 轧加工工艺或热处理工艺进一步致密化，改善其机械性能美国D y n a m c t公司最早开发成功用于商业化生产的C 6rmet T i系列复合材料就是 采用粉末冶金方法制备的它是在T i -6 A 1 -4 V合金或T i -6 A 1-6V-2 S n合金粉中掺入了 T i C,T i B或T i A 1增强粒子，从而大大改善了材料的室温性能、高温性能，然后在低于B相变点 温度的250c烧结，最后辅加锻造、轧制或挤压等热加工工序，大幅度提高材料的致密度，改善 机械性能另外，日本也用粉末冶金工艺研发了一系列T i C和T i B颗粒强化T i-6Al-4V基和低成本B合金基的TMCs，为了节约成本，具采用的是低成本享特法低氯钛粉代表产品有 10% i B( Vo 1)/ T i-6 A 1-4 V 和 10%T i B(。