[发明专利]一种高塑性原位网状TiC增强钛基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高塑性原位网状TiC增强钛基复合材料及其制备方法；其制备步骤为：先将金属碳化物粉末、球形TC4合金粉末、不锈钢球装入密闭容器中，向容器充入保护气体后机械混合，得到金属碳化物/钛合金混合粉末；再将混合粉末进行热压烧结，烧结完成后随炉冷却至室温。本发明首次采用金属碳化物VC作为碳源来制备原位网状TiC增强TC4复合材料。制备的TiC增强钛基复合材料中，TiC呈非均匀的准连续网状分布分布，基体未被割裂，其塑性得到很好的发挥，同时，基体组织较TC4合金大幅细化，材料强度也较TC4合金大幅提高。本发明制备的网状TiC增强TC4复合材料，TiC呈网状分布，基体组织细小，抗拉强度1058～1097MPa，延伸率19.3～20.3％，远高于均匀分布的TiC增强TC4复合材料。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料材料的粉末冶金技术领域，尤其涉及一种高塑性原位网状TiC增强钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

钛合金具有高强度、低密度和优异的抗腐蚀性，广泛应用于航空航天、生物医学及化工机械等领域。在钛及钛合金中引入陶瓷增强相形成不连续增强钛基复合材料，能有效改善基体组织，提高材料的强度、硬度与耐磨性，进一步拓宽其应用领域。然而，复合材料强度提升的同时，塑性会显著下降。根据Hashin-Shtrikman(H-S)理论中性能上限对应的硬相包围软相结构，使增强相呈三维网状分布，有效解决钛基复合材料塑性差的问题。

DRTMCs中增强相的引入方式有外加法和原位生成法，原位DRTMCs中的增强相和基体具有更好的界面结合。其中原位TiC被广泛认为是钛基复合材料最优的增强体之一，碳源主要来自石墨粉、烃类气体(CH4)、纳米碳材料(石墨烯、碳纳米管、纳米金刚石)。

在网状原位TiC增强钛基复合材料方面，Huang等采用石墨做碳源，热压烧结制备了网状结构5vol.％TiC/TC4复合材料，但是由于基体完全被TiC墙割断连接，表现出较低的塑性。Zhang等分别采用纳米金刚石与石墨烯做碳源，SPS制备了混杂增强网状结构钛基复合材料，材料强度提升的同时维持较好的塑性。Lu等通过SPS制备的GNPs/Ti复合材料抗拉强度由基体的647.96MPA提升至820.97MPa，而塑性仅仅从24.4％降至21.5％。

采用金属碳化物作为碳源，既可以原位生成TiC，金属原物又可以起到固溶强化的作用。然而，目前还未有通过金属碳化物作为碳源，制备网状TiC/TC4复合材料。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种高塑性原位网状TiC增强钛基复合材料及其制备方法。本发明制备的金属碳化物作为碳源的原位TiC增强钛基复合材料，同时具有较高的强度和较好的塑性，满足工程中多样化的需求。

本发明首次采用金属碳化物VC作为碳源来制备原位网状TiC增强TC4复合材料。制备的TiC增强钛基复合材料中，TiC呈非均匀的准连续网状分布分布，基体未被割裂，其塑性得到很好的发挥，同时，基体组织较TC4合金大幅细化，材料强度也较TC4合金大幅提高。本发明制备的网状TiC增强TC4复合材料，TiC呈网状分布，基体组织细小，抗拉强度1058～1097MPa，延伸率19.3～20.3％，远高于均匀分布的TiC增强TC4复合材料。

本发明通过下述技术方案实现：

一种高塑性原位网状TiC增强钛基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将金属碳化物粉末、TC4合金粉末、不锈钢球装入密闭容器中，向容器充入保护气体后机械混合，得到金属碳化物/钛合金混合粉末；

步骤二：将步骤一混合得到金属碳化物/钛合金混合粉末，装入石墨模具中，随后将石墨模具放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，热压烧结完成后随炉冷却至室温。

步骤一中，金属碳化物粉末为Mo₂C或VC粉末(颗粒呈无规则形状)，平均颗粒尺寸0.8～2μm。