[发明专利]一种硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料及其制备方法

说明书

一种硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料及其制备方法，该复合材料包括基体和增强相；其中，基体为纯钛或钛合金；增强相为TiB超高长径比纳米晶须，其含量为5～12vol.％，TiB纳米晶须的分布具有网状编织结构。钛合金包括α、α+β及β钛合金。本发明采用纳米硼或纳米硼化物作为生成TiB纳米晶须的原料，与纯钛粉或钛及合金元素的混合粉或钛合金预制合金粉末混合成为坯料，通过选择性的放电等离子体低温加压烧结致密化，获得网状编织分布的TiB纳米晶须。本发明获得的钛基复合材料的抗拉强度明显提高，同时拉伸塑性得到优异的保持，伸长率可达20％以上。本发明解决了现有技术制备钛基复合材料强度虽高但是在承受拉伸载荷条件下塑性差的这一长期存在的关键问题。

技术领域

本发明涉及可作为先进结构、功能材料应用的金属基纳米结构复合材料技术领域，针对实现一种硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

钛基复合材料是指在钛或钛合金基体中引入陶瓷增强相强化的复合材料，其强度、耐磨性、耐热性优于同类钛合金，因此在航空、航天、海洋等高技术领域具有广阔的应用前景。概括地讲，通过引入较高含量陶瓷增强相(5vol.％)，可以使钛基复合材料的强度指标明显提高，但大量引入增强相使得材料的塑性、韧性大幅降低。这是困扰金属基复合材料发展的一个普遍问题，也是金属基复合材料一直未能得到广泛应用的一个主要限制性环节。

为了克服这一普遍的强度-塑性对立现象而获得更优异的综合性能，有研究报道可通过获得纳米TiB晶须强化来提高钛基复合材料强度(如Park J.S.，FabricationProcess and Characterization of TiBw/Ti–6Al–4V Nanocomposites，Korean Advancedinstitute of Science and Technology，Master’s Thesis，2010，p.78)。然而，该方法获得的钛基复合材料塑性极低(Ti6Al4V-2vol.％TiB，拉伸应变小于0.4％)；而且该方法采用机械合金化，易污染，工艺也比较复杂。

另一方面，有研究报道通过调节TiB微米晶须的分布，设计一种TiB网状结构强化钛基复合材料(如Huang，L.J.et.al，Effects of volume fraction on themicrostructure and tensile properties of in situ TiBw/Ti6Al4V composites withnovel network microstructure，MaterialsDesign，45(2013)532-538)。然而，该类方法由于继续采用TiB微米晶须作为强化相，其强化效果并不显著，并且塑性低(Ti6Al4V-5.1vol.％TiB，抗拉强度1090MPa，拉伸应变3.6％)。

传统的用TiB微米颗粒或微米晶须增强的钛基复合材料的研究报道和专利较多(例如中国专利CN104263984A，美国专利US20070068603A1，US20100040500A1等)，但是，当TiB增强相含量大于5％时，所获得的以钛合金为基体的钛复合材料的拉伸应变一般小于3％，而以纯钛为基体的钛复合材料的拉伸应变一般小于7％。本发明提供了一种突破这一传统局限的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料及其制备方法，获得强且韧的钛基复合材料，通过同时控制TiB增强相的尺寸和分布。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种硼化钛纳米晶须增强钛基复合材料，其包括基体和增强相；其中，所述基体为纯钛或钛合金；所述增强相为TiB超高长径比纳米晶须，其含量为5～12vol.％，TiB纳米晶须的分布具有网状编织结构；所述纳米晶须的长度为5～30μm，直径50～300nm，长径比大于60；所述增强相的原料为纳米硼或纳米硼化物粉末，其粒度为30nm～100nm；复合材料制备中采用放电等离子体烧结，烧结温度为950～1100℃。