非连续颗粒增强钛基复合材料制备技术与研究进展.pdf

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1、非连续颗粒增强钛基复合材料制备技术与研究进展米韩远飞，邱培坤，孙相龙，冯家浩，王立强，吕维洁(上海交通大学材料学院金属基复合材料国家重点实验室，上海20()24())[摘要]颗粒增强钛基复合材料是一种重要的轻量化结构一功能一体化材料二在航空航天、空间技术、武器装备、能源和环境形势日益严峻的今天，这种轻质：高强、耐热颗粒增强钛基复合材料是航空航天技术、能源发展与交通运输等若干关键领域中不可替代的共性关键材料。从复合材料制备技术、基体和增强体选择，增强体分布设计，构型设计，热变形加工、超塑性加工、热处理、微观组织、力学性能以及工程应用方面综述了颗粒增强钛基

2、复合材料的发展现状，提出了研究中存在的问题以及今后潜在的研究方向，为进一步推动和解决重大工程用复合材料大构件加工、精密成形制造的关键技术和装备提供指导，进而推动非连续颗粒增强钛基复合材料的深入发展。关键词：钛基复合材料；原位自生；钛合金；增强体；热加工DoI：10．16080／j．issnl671—833x．2016．15．062韩远飞博士。助理研究员。研究方向为钛合金及其复合材料制备与加工。+基金项目：国家r{然科学基金项f_1(5137111451501112)；国家“973计划”(2012(：B619600)中同博十后特别资助(2015T8043

3、1)；商琶开放创新基金项目(SAMCl4一Js—15-047)62航窄制造技术·2016年第15期随着我国航空、航天事业的发展，对航空、航天用结构材料的要求更为突出地集中于轻质、高强、高韧及高刚度等方面，为适应这一发展趋势，作为高性能轻质的钛合金及其复合材料，已成为国家重大新材料研究发展方向之一It-31。高强度、高韧性、高弹性模量的钛基复合材料更是先进结构材料发展的重要研究方向之一[2-31。为进一步拓宽高强、高模结构材料的服役温度范同，m现提m通过添加稳定的增强体来提高强度和高模量的报道[3-41。这种颗粒增强钛基复合材料(TMCs)是南一种或多种

4、陶瓷颗粒与不同金属基体组成的复合材料，具有众多优良特点，其高温强度、蠕变抗力、比刚度、抗冲击性、疲劳性能等都比单一材料性能有所提高，适用于航空航天极端苛刻的]_作条件，被认为是一种能突破现有高温钛合金热强性的新一代航空、航天材料II-41。目前制约我国先进颗粒增强钛基复合材料应用和发展的主要瓶颈问题是在增强体控制与加工科学上缺乏科学的指导It．5-101：(1)复合制备工艺繁琐、效率低而导致的金属复合材料成本高；(2)金属基复合材料的复合制备难；(3)金属基复合材料的微结构与宏观性能之间关联难、表征难；(4)在超塑性成形等后续加工手段方面的研究较为薄弱

5、；(5)缺乏关于多元多尺度钛基复合材料的基础研究，从而难以阐明在多场效应下的耦合响应机制、复合后显微组织的演变规律、传承效应对复合材料的失效规律的影响机制；(6)南塑性低和韧性低而导致的复合材料可靠性低。因此，本文主要从复合材料制备技术、基体和增强体选择，增强体分布设计，构型设计，热变形加T、超塑性加工、热处理、微观组织、力学性能以强蹴黼醚、-。隧一r∥及工程应用方面简述颗粒增强钛基复合材料的发展现状，并提出未来可能的研究重点。制备技术方法经过多年对于非连续颗粒增强钛基复合材料的研究之后，研究学者不断总结经验，在降低加T成本的同时能进一步提升材料的综合

6、力学性能，其主要制备方法有外加法和原位自生法。传统的外加法制备技术增强体大约是几微米、几十微米甚至是毫米级

7、4】，且制备技术仍需要解决增强体设计、浸润，以及增强与基体金属界面相容性，工艺复杂以及成本昂贵等关键问题，逐渐不被使用。目前利用原位法生产颗粒增强钛基复合材料成为研究的主流方向，主要制备技术有：熔炼法、粉末冶金法”H21、机械合金化法¨3l、自蔓延高温合成法¨4】、放热扩散法¨51、快速凝固法¨6—7

8、、激光熔覆技术”耻。9】以及其他各种各样的原位自生技术12(}-21I。按照原材料形态还可以分为固一固反应法、固一液反应法和气一同反应法【7I。其

9、中固一液反应法和同一固反应法是目前应用最多的方法。固一液反应法包括快速凝固技术、熔铸法以及激光快速熔覆法等。固一固反应法包括反应热压法、放电等离子烧结法、机械合金化法、自蔓延高温合成法"l。其中，利用粉末冶金法制备原位自生颗粒增强钛基复合材料是较为普遍的方法，但却存在部分缺点：如工艺复杂、成本高且对设备要求较高。在制备航空、航天大型构件或进行批量生产中尚存在不足。但目前国内外研究单位如香港城市大学、美国加州大学、中南大学、哈尔滨工业大学、北京有色金属研究院、中科院金属所等都曾采用粉末冶金结合热加工成功制备大量颗粒增强钛基复合材料，在增强体合成、显微组织

10、演化和性能测试方面已取得了大量的研究成果[6-71采用熔炼铸造法制备非连续增强颗粒增强钛基复合