一种梯度钛基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种梯度钛基复合材料及其制备方法，涉及复合材料技术领域，梯度钛基复合材料包括表层、中间层和芯层；在沿梯度钛基复合材料的厚度方向，表层、中间层、芯层、中间层和表层依次排列；表层为钛合金层；中间层和芯层为具有增强相的钛基复合层，且中间层中增强相的体积分数低于芯层中增强相的体积分数；其中，钛基复合层由钛合金粉和陶瓷粉制得。本发明专利技术提供的梯度钛基复合材料具有优异的强度和塑韧性，无明显界面过渡层，制备方法简单稳定且适用于制备大尺寸梯度层状钛基复合材料。定且适用于制备大尺寸梯度层状钛基复合材料。定且适用于制备大尺寸梯度层状钛基复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度钛基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料
，特别涉及一种梯度钛基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]钛合金作为一种工程材料，具有密度低、比强度高、高温性能较好等优点，在航空、航天、化工、海洋、生物等领域有着广泛的应用。在钛合金中引入增强相得到的钛基复合材料，相较于钛合金在强度及耐磨性等方面有一定的提升，然而增强相的引入会导致钛基复合材料的塑韧性下降。近年来制备的钛基复合材料多为成分单一的钛基复合材料，如申请号为CN200810136852.8的中国专利公开了一种单成分的非连续纤维增强钛基复合材料，其强度提升的同时，塑性会明显下降。因此，均质单一材料很难同时满足高强度和高韧性的要求。
[0003]研究人员发现自然界中的竹子、贝壳等生物材料具有优异的力学性能如断裂韧性，因此基于仿生学思想设计了多成分结合的层状钛基复合材料以提高其韧性。但现有层状钛基复合材料大多采用申请号为CN201210138430.0的专利公开的堆叠热轧或申请号为CN201310498988.4的专利公开的焊接扩散的方式，将已有各层材料相结合得到层状钛基复合材料。以上方法的各层材料通过制备块体后线切割得到或直接购买得到，然而前者获得各层材料的方式成本高、操作复杂；后者直接购买又难以调整各层厚度和成分，故而限制了层状材料的可设计性与可调控性，并使材料制备过程繁琐。且这种通过层与层结合制备的层状钛基复合材料界面结合强度普遍较低，导致材料整体塑性偏低。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供了一种梯度钛基复合材料及其制备方法，该梯度钛基复合材料具有优异的强度和塑韧性，层与层之间无明显界面过渡层，制备方法简单稳定且适用于制备大尺寸梯度层状钛基复合材料。
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种梯度钛基复合材料，所述梯度钛基复合材料包括表层、中间层和芯层；在沿所述梯度钛基复合材料的厚度方向，所述表层、所述中间层、所述芯层、所述中间层和所述表层依次排列；
[0006]所述表层为钛合金层；
[0007]所述中间层和所述芯层为具有增强相的钛基复合层，且所述中间层中增强相的体积分数低于所述芯层中增强相的体积分数；其中，所述钛基复合层由钛合金粉和陶瓷粉制得。
[0008]优选地，所述中间层由至少两层子中间层组成；其中，不同子中间层中增强相的体积分数不同。
[0009]优选地，在沿由所述表层至所述芯层的厚度方向，所述至少两层子中间层中增强相的体积分数呈梯度递增分布。
[0010]优选地，所述表层由TC4粉制得。
[0011]优选地，所述钛基复合层由TC4粉和TiB2粉制得。
[0012]优选地，所述TC4粉的粒径为80～120μm；
[0013]所述TiB2粉的粒径为1～8μm。
[0014]优选地，所述钛基复合层中增强相的体积分数为3～20％。
[0015]优选地，所述中间层中增强相的体积分数为3～10％；
[0016]所述芯层中增强相的体积分数为9～20％。
[0017]更优选地，所述芯层中增强相的体积分数为9～15％。
[0018]优选地，所述中间层包括第一子中间层和第二子中间层；
[0019]所述第一子中间层中增强相的体积分数为3～5％，所述第二子中间层中增强相的体积分数为5～10％；
[0020]所述第一子中间层与所述表层相邻；所述第二子中间层与所述芯层相邻。
[0021]优选地，所述子中间层、所述表层和所述芯层的厚度均相同。
[0022]第二方面，本专利技术提供了上述第一方面所述的梯度钛基复合材料的制备方法，所述制备方法包括：
[0023](1)将钛合金粉和陶瓷粉进行球磨处理，获得用于制备中间层和芯层的混合粉体；
[0024](2)将钛合金粉、用于制备中间层的混合粉体、用于制备芯层的混合粉体、用于制备中间层的混合粉体、钛合金粉依次铺放于模具中，然后进行热压烧结，得到包括表层、中间层和芯层的所述梯度钛基复合材料；
[0025]其中，所述中间层和所述芯层为具有增强相的钛基复合层，且所述中间层中增强相的体积分数低于所述芯层中增强相的体积分数。
[0026]优选地，在步骤(1)中：
[0027]所述球磨处理的球磨转速为180～220rpm，优选为200rpm；
[0028]球磨时间优选为5h，球料比优选为5:1。
[0029]优选地，在步骤(2)中：
[0030]所述热压烧结的真空度为不高于1
×
10
‑2Pa，烧结温度为1300℃，压力为25MPa，保温时间为1.5h。
[0031]本专利技术与现有技术相比至少具有如下有益效果：
[0032]本专利技术将较高增强相含量的钛基复合层与较低增强相含量的钛基复合层进行了结合，在保证了界面强度的基础上，借助其梯度层状结构，有效缓解其在变形过程中的应变局域化，使材料结构优势得以充分发挥，变形更加稳定均匀，从而改善了单一钛基复合材料强度和塑韧性倒置的问题，制备出的梯度钛基复合材料具有良好的综合性能。
[0033]本专利技术采用铺粉的方法实现了梯度层状的结构设计，梯度成分及层状厚度可控。同时，采用热压烧结的技术，制备方法简单，制备出的梯度钛基复合材料界面为冶金结合，层与层之间界面平直、结合良好，没有明显的界面过渡层，解决了现有其他方法制备的层状材料界面结合力差的问题。
附图说明
[0034]图1是本专利技术一实施例提供的一种梯度钛基复合材料的制备方法的流程图；
[0035]图2是本专利技术实施例1制备的梯度钛基复合材料与对比例1制备的钛基复合材料的
三点弯曲性能的对比曲线；
[0036]图3是本专利技术实施例1制备的梯度钛基复合材料的扫描电镜图；
[0037]图4是本专利技术一实施例提供的铺粉方式示意图。
具体实施方式
[0038]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0039]本专利技术实施例提供了一种梯度钛基复合材料，梯度钛基复合材料包括表层、中间层和芯层；在沿梯度钛基复合材料的厚度方向，表层、中间层、芯层、中间层和表层依次排列；
[0040]表层为钛合金层；
[0041]中间层和芯层为具有增强相的钛基复合层，且中间层中增强相的体积分数低于芯层中增强相的体积分数；其中，钛基复合层由钛合金粉和陶瓷粉制得。
[0042]在本专利技术中，梯度钛基复合材料的层状结构沿厚度方向为：表层
‑
中间层
‑
芯层
‑
中间层
‑
表层；即最外侧为塑性好强度低的钛合金层(即增强相的体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度钛基复合材料，其特征在于，所述梯度钛基复合材料包括表层、中间层和芯层；在沿所述梯度钛基复合材料的厚度方向，所述表层、所述中间层、所述芯层、所述中间层和所述表层依次排列；所述表层为钛合金层；所述中间层和所述芯层为具有增强相的钛基复合层，且所述中间层中增强相的体积分数低于所述芯层中增强相的体积分数；其中，所述钛基复合层由钛合金粉和陶瓷粉制得。2.根据权利要求1所述的梯度钛基复合材料，其特征在于：所述中间层由至少两层子中间层组成；其中，不同子中间层中增强相的体积分数不同；优选地，在沿由所述表层至所述芯层的厚度方向，所述至少两层子中间层中增强相的体积分数呈梯度递增分布。3.根据权利要求1所述的梯度钛基复合材料，其特征在于：所述表层由TC4粉制得；和/或所述钛基复合层由TC4粉和TiB2粉制得。4.根据权利要求3所述的梯度钛基复合材料，其特征在于：所述TC4粉的粒径为80～120μm；所述TiB2粉的粒径为1～8μm。5.根据权利要求1所述的梯度钛基复合材料，其特征在于：所述钛基复合层中增强相的体积分数为3～20％。6.根据权利要求1至5中任一所述的梯度钛基复合材料，其特征在于：所述中间层中增强相的体积分数为3～10％；所述芯层中增强相的体积分数为9～20％，优选为9～15％。7.根据权利要求2所述的梯度钛基复合材料，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄陆军，纪明，王帅，安琦，孙枫泊，陈昕，耿林，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：