原位自生颗粒增强钛基复合材料研究现状.doc

原位自生颗粒增强钛基复合材料研宄现状摘要：钛基复合材料具有比重轻、强度高、耐腐蚀等许多优异性能，具有广泛应 用然而，传统钛合金材料己难以满足高技术的耍求近年来，人们在原位自生 颗粒增强钛基复合材料研宄方面取得了众多成果由于原位自生钛基复合材料和 对传统钛合金更为优异的综合性能，引起了人们广泛关注木文从制备方法以及 原位自生颗粒增强钦基复合材料性能综述了目前原位自生钦基复合材料的研究 进展，并对原位自生颗粒增强钛棊复合材料进行Y前景展望关键词：钛基复合材料；原位自生；颗粒增强；研究现状1、引言钝钛和以钛为主的合金是继合金钢和金属铝之后新崛起的新型的结构材料 钛能与铁、铝、钒或钼等其他元素熔成合金，造出高强度的轻合金，在各方面 有着广泛的应用，包括航天、军事、工业程序、汽车等现在，在宇宙火箭和 导弹中，就大量用钦代替钢铁m然而，随着科技的不断向前发展，面对高技术时代对高性能钛合金材料口益 紧迫的耍求，传统的钛合金材料己经很难满足高技术的要求正因为如此，出现 了由钛合金向钛基复合材料转移的趋势钛基复合材料是指在钛或钛合金基体中植入刚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，从而获得了更高 的剪切强度和压缩强度以及更好的高温力学性能。

钛棊复合材料主要分为两大类: 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按增强体生成方式可分为外加法和原位合成工艺方 法传统的外加法制备技术中，陶瓷增强相以颗粒、粉末的状态加入基体钛中 然而，传统的合成技术中增强相的尺度被最初的粉末粒度所限制，一般是微米级 甚至毫米级此外，传统外加法的合成技术还需要解决增强体浸润、制备过程中 增强相与基体的界面反应以及昂贵的成本等问题l5’6j为了解决传统外加法造成的一系列问题，人们开发了原位合成技术来制备非 连续增强钛基复合材料，增强体通过原料中的元素相互发生化学反应而生成w 原位合成工艺方法制得的复合材料中增强颗粒与基体的相容性好，避免了外加增 强颗粒的污染问题以及増强颗粒与棊体的界面之间的化学反应问题，增强体和棊 体界面结合良好，而且增强颗粒和基体在热力学上稳定这些特性对提高钛基复 合材料的使用温度具有极为重要的意义，可以说原位合成钛基复合材料的是目前 复合材料领域一个重要的研究方向1712、原位反应合成技术原位合成法是一种最近发展起来制备复合材料的新方法~其基本原理 是利用不同元素或化学物之间在一定条件下发生化学反应，而在金属基体 内生成一种或几种陶瓷相颗粒，以达到改善单一金属合金性能的目的。

『91通过这种方法制备的复合材料，增强体是在金属基体内形核、自发长大， 因此，增强体表面无污染，基体和增强体的和溶性良好，界面结合强度较 高⑽原位复合的概念起源于凝固过程中的原位结晶（In-Situ Crystallization）和原位 聚合（In-Situ Polymerization）MMCs原位☆成技术与传统复☆工艺相比有如卜特 点：（1）增强体表面无污染，避免了增强体与基体相容性不良的问题，且界面结合 强度高；（2）可有效的控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量；（3）省 去了增强体单独合成、处理和加工等工序，因此工艺简单、成木较低；（4）从液 态金属基体中原位形成增强体的工艺可采用金属成型方法制备形状复杂、尺寸较 大的净近形构件rlU21一般而言，原位工艺可以产生多种形态的增强体，从连续的到非连续的，从塑 性和到陶瓷和、金属间化合物故原位反应合成技术具有显著的技术优势和经济 优势，它□成为当今复合材料领域中最活跃的研究方向113］3、原位反应制备颗粒増强钛基复合材料加工方法原位反应制备的颗粒增强钛基复合材料中增强颗粒与基体的相容性好，复合 材料高温性能稳定，成为制备高性能颗粒增强钛基复合材料的首选途径。

目前，熔 铸法、粉末冶金法、自蔓延高温合成法、放热弥散（XDTM;法等都已用于原位反 应制备颗粒增强钦基复合材料［713.1熔铸法熔铸原位反应合成是将原位反应和传统的熔铸工艺相结合，它既有传统的熔 铸工艺简单、灵活、成本低的特点，也兼有原位合成增强相与基体无界面反应而 结合良好的特点正是由于这些优点使得该方法被广泛用于颗粒增强钛棊复合材 料制备17,⑷张茂胜ll5j采用熔铸法原位自生技术制备了 Ti-5.5Al-4Sn-4Zr-0.3Mo-1 Nb-0.5 Si为基体TiC+TiB为增强相的钛基复合材料以及基体钦合金，两增强相大多沿 晶界分布，TiC多为颗粒状或者等轴状，TiB为针状或纤维状李丽等人［161采 用普通的熔炼方法，利用钦与B4C之间的化学反应制备7715D钛基复合材料， 该复合材料的室温和高温力学性能均有提高肖旅ll7j运用真空自耗电弧炉熔炼 以及热加工、热处理技术，简洁、低成本地原位合成了以近＜1合金为基体，TiB、 TiC和La2O3多元强化的耐热钛基复合材料3.2粉末冶金法粉末冶金法是一种较成熟的颗粒增强复合材料的制备方法将金属粉末和增 强和粉末充分混合、成形、烧结得到金属基的复合材料。

l7j粉末冶金法基本上不 存在界面反应，并.H.可以通过调整颗粒增强相的粒度和体积分数，使得增强体分布 均匀rl81覃群等人『191综述了未来粉末冶金技术在颗粒增强钛棊复合材料中的研宂方 向杨超等人1201尝试用制备了含不同体积分数的TiC/TiB2颗粒增强的钛基复材 料，显微组织观察表明，基体与陶瓷颗粒界面结合良好，颗粒的加入没有改变基体 组织的生长和分布；添加了35vol%TiC的钛基复合材料试样的断裂强度达到了 2209MPao3.3自蔓延髙温合成法自蔓延高温原位合成技术（SHS）是将组分粉末按比例混合、压坯，在真空或惰 性气体中，在压坯内部预热点火，使组分之间发生放热化学反应，放出热量蔓延引 起邻近反应部分继续燃烧反应，直至反应全部完成r71SHS法需要一定的条件:必 须是高放热反应，反应释放的热量能加热未反应部分到点燃温度从而使反应继续 进行SHS法具有许多优点:利用化学反应自身放热，除引燃外无需外部热源;反应 速度快，生产效率高等3.4 XD™ 法XDTM技术是美国马丁实验室在SHS基础上发展起来的一种制备反应合成 材料的技术，实际上是将生成增强体的2种粉末与基体粉末混合，在高于基体熔点 而低于增强体的熔点的温度下，使2种粉末发生放热反应，从而在基体中形成亚显 微增强体。

m由于增强体是原位合成的，其界面比较干浄，避免了界面反应物生成3.5其他加工方法除了上述的儿种常见的颗粒增强钛基复合材料制备技术外，近年来人们还开 发了许多的颗粒增强钛基复合材料制备技术如快速凝固技术、冲击波固化技术、 喷射沉积技术、激光熔覆技术和放电等离子烧结技术等特别是放电等离子烧结 技术，由于机理特殊，与传统的烧结技术相比，在较低的温度和较短的时间内就可 以制备出增强颗粒细小、致密度高的颗粒增强钛基复合材料，且成本低，因此，有着 广阔的应用前景4、微观结构与性能岡相原位反应合成增强相主耍是以原子扩散机制形成，液相原位反应合成的 增强和以形核长大的方式从熔体中析出长大原位反应合成的钛基复合材料增强 相的形态、大小以及分布对材料的性能均有很大影响，这也是原位反应合成制备 颗粒增强钦基复合材料人们关注的点TiC和TiB是颗粒增强钛基复合材料中最 主要的2种增强相，由于其晶体结构不同，因此形成了不同的形态r2L221增强相大大提高了基体材料的高温性能钛基复合材料被认为可以在500 -700C下使用的结构材料1231在室温下，增强相的加入使材料的强度、弹性模量 提高的同时，显著降低了材料的塑性和断裂韧性。

1241研究表明，随着增强相所占的 体积分数的增加，拉伸强度和屈服强度冇所增加，而塑性和初性下降；同吋，增强相 颗粒尺寸的减小，对材料的拉伸强度、屈服强度以及塑性都有所提高r252615、问题与展望尽管原位合成技术有许多优点如产物颗粒细小II分布均匀、合成成本低、增 强相表面无污染且与棊体的润湿性好、界面结合强度高以及增强相体积比可在较 大范围调节等，但目前大部分原位合成工艺和原位反应体系仍处于试验和开发研 究阶段，有许多问题亟待解决，具体表现在:原位合成体系有限，有时需要的组织不 能通过反应生成;反砬物的含量和配比对反砬的生成及反砬速度都有较大的影响 II较难控制;得到的产物致密度不高，例如SHS;原位反应过程不易控制，中间相生成不能控制，对材料的性能产生不利影响;增强相的种类有限l7j原位反应合成制备颗粒增强钛基复合材料是目前钛基复合材料的研宄热点，今后的发展方向主要有以下几方面l5’7’9j(1) 重点研究材料制备过程中微观组织的形成规律及控制等基础问题；(2) 进一步降低原位自生颗粒增强钛棊复合材料的成本，探索低成本的反应 体系和工艺，制备近净成形的零部件；(3) 界面结构与界面结合力对金屌基复合材料的性能影响极大，要深入研究 原位复合材料的界面问题及对性能的影响；(4) 通过研发低成本的原位反应合成颗粒增强钛基复合材料，推广其在民用 工业上的应用。

预计随着研宄的不断深入和原位反应合成工艺、设备的不断完善，在不久的 将来，原位反应合成的新型工程结构材料和功能材料，在航空航天、汽车制造、矿 山机械、精密仪器、民用工业等方面会得到广泛的应用参考文献：「11刘奇先，刘杨，岛凯.钛合金的研究进展与应用［几航天制造技术,2011,04:45-48+55.［2］庆达嘎，陈峰，乔璐，陈战乾.国内钛合金用合金化元素的发展现状研究［J］.中国钛 业，2012,01:18-22.13］冯颖芳.世界钛及钛合金的应用研究进展［儿世界有色金属，2012,04:54-57.［4］ 吕维洁，张荻.原位合成钛基复合材料的制备、微结构及力学性能［M］.北京：高等教育出 版社，2005［5］ 陶杰，赵玉涛，潘蕾，等.金属基2合材料制备新技术导论［M］.北京：化学工业出版社， 2007［6］ 于化顺.金属基复合材料及其制备技术［Mj.北京：化学工业出版社，2006［7］ 吕维洁.原位自生钛基复合材料研究综述［儿中国材料进展，2010,04:41-48+7. r81肖恩忠.原位制备金属基复合材料的研究进展U1.潍坊学院学报，2007,02:5-8.［9］蔡利芳，张永忠，席明哲，等.原位合成法在材料制备中的应用及进展［J］.金属热处 2005,10:1-6.110］王朋波，毛小南，杨冠军，等.原位反应制备颗粒增强钦基复合材料的研宄进展Llj.稀有金 属快报，2006,05:1-8.[11] Gu D，Wang Z, Shen Y，et al. In-situ TiC particle reinforced Ti-Al matrix composites: Powder preparation by mechanical alloying and Selective Laser Melting behaviorfJ]. Applied surface science. 2009, 255(22): 9230-9240.[12] Tjong S C，Mai Y W. Processing-structure-property aspects of particulate-and whisker-reinforced titanium matrix composites[J]. Composites Science and Technology. 2008, 68(3): 583-601.[13] Huang L J，Pan F, Dong Y S, et al. Tailoring a novel network reinforce。