[发明专利]钛合金复合材料及其制造方法，使用该钛合金复合材料的钛覆层材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金复合材料、一种制造所述钛合金复合材料的方法、一种使用所述钛合金复合材料的钛覆层材料和一种制造所述钛覆层材料的方法。

背景技术

钛合金具有高的相对强度和优异的耐蚀性，并且主要使用在航空航天、深海勘探、化工厂等领域中。近年来，钛合金广泛用于民用用途，例如高尔夫球棍的头部或杆部、手表或渔具的部件以及眼镜框架。

近来已提出包含钛合金和碳纤维的组合以进一步提高机械性能例如抗拉强度和韧性的复合材料。例如，专利文献1和2各自公开了一种由包含碳纤维例如碳纳米纤维的钛合金形成的汽车部件。专利文献1和2都进一步说明了将氧(O)、氮(N)、氯(Cl)、铬(Cr)、碳(C)、硼(B)、钛(Ti)、钼(Mo)、磷(P)、铝(Al)等的离子注入到碳纳米纤维中以便由此提高碳纳米纤维和金属之间的润湿性和附着性。此外，也已经将纯钛涂覆到由钛合金制成的芯材的侧表面上，例如，用于获得用单一物质无法得到的功能和特性(例如见专利文献3)。

专利文献1：JP 2004-225084

专利文献2：JP 2004-225765

专利文献3：JP 2002-000971

发明内容

[本发明要解决的问题]

本发明的发明人在精心研究后发现，在由专利文献1和2公开的传统技术中，钛和碳纤维在形成复合物期间相互反应。因此，本发明的发明人已发现，碳纤维作为增强材料的原始性能显著下降，并且实际上不能获得预期的机械强度。此外，如在上述专利文献中所述，还发现使用经受离子注入处理的碳纳米纤维作为碳纤维对合金中的碳纳米纤维而言具有改善的分散性，但是，碳纳米纤维与钛之间的反应性被显著促进，并且碳纳米纤维的机械强度稍有下降。在由专利文献3公开的传统技术中，钛合金和纯钛的机械性能原本都是不足的，由此钛合金和纯钛的相互涂覆不能提供具有显著提高的机械性能的覆层材料。

因此，为了解决上述问题而提出本发明，本发明的目的是提供一种具有优异的机械强度例如抗拉强度、杨氏模量、韧性和硬度的钛合金复合材料。

本发明的另一个目的是提供一种具有显著提高的机械性能例如抗拉强度、延伸率和断裂韧性的钛覆层材料。

[解决问题的手段]

本发明的发明人在为了解决上述传统问题而进行了精深的研究和开发后发现，碳纤维在钛合金的晶粒中的分散可有效地用于解决上述问题，从而完成了本发明，所述碳纤维由这样一种层所包覆(coat)，所述层包含与碳反应形成碳化物的元素以及由此形成的碳化物。此外，本发明的发明人还发现，通过使这种钛合金复合材料和具有高断裂韧性的钛合金相互覆盖(clad)而获得的覆层材料具有显著提高的机械性能，例如抗拉强度、延伸率和断裂韧性。

即，根据本发明的钛合金复合材料的特征在于，碳纤维在钛合金的晶粒中分散，所述碳纤维由这样一种层所包覆，所述层包含与碳反应形成碳化物的元素以及由此形成的碳化物。

优选地，与碳反应形成碳化物的元素包括选自下列元素中的至少一种元素：硅(Si)、铬(Cr)、钛(Ti)、钒(V)、钽(Ta)、钼(Mo)、锆(Zr)、硼(B)和钙(Ca)。

优选地，碳纤维包括碳纳米管、气相生长碳纤维或它们的混合物。钛合金复合材料按质量计优选包括0.1％至10％的碳纤维。层优选具有至少为0.5nm的厚度。

一种制造根据本发明的钛合金复合材料的方法的特征在于其包括：将碳纤维和与碳反应形成碳化物的元素的粉末混合，然后在高温真空下使所述元素升华以便在所述碳纤维上包覆包含所述元素和所述碳化物的层的步骤；将在上一步骤中获得的碳纤维与钛合金粉末混合并在混合物上施加机械冲击力以便将所述碳纤维固定(fix)在所述钛合金粉末的表面上的步骤；烧结在上一步骤中获得的固定有碳纤维的钛合金粉末的步骤；以及对在上一步骤中获得的烧结体进行塑性加工以便使所述碳纤维在所述钛合金的晶粒中分散的步骤。

优选地，制造钛合金复合材料的方法还包括对塑性加工后的钛合金复合材料进行时效处理的步骤。烧结优选通过脉冲电流烧结方法来进行。塑性加工优选通过至少一种选自热轧工艺和等温锻造工艺的工艺来进行。