钛基复合材料的性能特点及应用
钛基复合材料
TMCs可简单分为两大类： 一类是非连续颗粒增强钛基复合材料； 一类是连续纤维增强钛基复合材料。
研究方向
l) 钛基体和增强剂的选择; 2) TMCs制造方法和加工工艺的研究; 3) 强化剂与基体界面反应特性和扩散障碍涂层; 4) 性能评价和实验方法; 5) 应用领域的开拓
非连续增强钛基复合材料 制备方法： （1）外加法 （2）原位反应法
钛基复合材料
金材091班 刘志同 26号
钛基复合材料(TMCs) 以其高的比强度、 比刚度和抗高温特性而成为超高音速宇航 飞行器和下一代先进航空发动机的候选材 料。TMCs材料的研究始于70 年代、80 年代中期, 美国航天飞机(NASP) 和整体高 性能涡轮发动机技术(IHPTET) 以及欧洲、 日本同类发展计划的实施, 给TMCs 材料 发展提供了很好的机遇和巨大的资金保证, 从而促进了TMCs材料的发展, 使之成了 80 年代材料科学领域的热点。
外加法
西北有色金属研究院采 用PTMP技术对TiC进行 预处理, 使TiC 在熔炼过 程中均匀、弥散分布, 目 前铸锭达250 kg级, 并且 具有良好的二次加工性 能, 并加工成飞机发动机 叶片。右图 为TP-650复 合材料棒材及其组织的 SEM 照片。
原位法简介
原位法是指增强体是通过添加元素与基体发生 反应生的, 原位法制备的颗粒增强钛基复合材 料其增强颗粒与基体的相容性好, 避免了外加 增强颗粒的污染以及颗粒与基体的界面之间的 化学反应问题, 增强颗粒和基体在热力学上是 稳定的,因此在高温工作时性能不易退化。但原 位法也有缺点,主要是生成的相比较复杂、不易 控制; 而外加法的相结构可以得到较好的控制。
连续纤维增强钛基复合材料
连续纤维增强钛基复合材料具有比钛合金更高 的比强度和比模量, 并比钛合金更耐热, 可在高 于600℃的环境下使用。连续纤维增强的T i-6-4 中, 轴向UTS 可达1. 8GPa; 弹性模量是基体的1. 3倍。这些均使其有望用作未来先进航空航天 飞机的蒙皮、刚性件和高性能发动机部件。若 用作发动机转子、风扇叶片和盘件, 以取代N i 基或Co 基超合金, 发动机可减重30%。
金属基复合材料发展和应用前景
金属基复合材料的发展现状与应用前景金属基复合材料( M MCs) 问世至今已有30 余年。
M MCs 的耐温性较高, 力学性能( 特别是刚度) 比一般金属的好, 此外它还具有导电性以及在高真空条件下不释放小分子的特点, 克服了树脂基复合材料在航宇领域中使用时存在的缺点, 因此受到航空航天部门的青睐。
然而, 尽管MM Cs 在航天飞机以及其他一些尖端技术中已经获得应用, 但用量很小, 不足以推动其发展。
近年来虽然努力在民用领域寻找机遇, 但终因成本偏高而缺乏与金属等其他传统材料竞争的优势。
因此发展MM Cs 的出路在于寻找降低成本的措施, 同时也要探索能充分发挥其特色的应用领域。
鉴于复合材料的成型工艺占其成本的60% ~ 70% , 所以研究发展高效、省时、低能耗、设备简单、能实现近似无余量成型的工艺方法是当务之急。
1、金属基复合材料制备技术1.1各种制备方法简评MMCs 通常按增强体的形式分类, 如连续纤维增强、短纤维或晶须增强、颗粒增强以及片层叠合等。
由于连续纤维增强的MM Cs 必须先制成复合丝或复合片等先驱体, 工艺复杂而成本高, 因此除了极少量有特殊要求的零件(如航天飞机的结构梁)采用外,目前尚看不到有扩大应用的可能性。
本文着重叙述的是颗粒、短纤维或晶须等非连续增强体的MM Cs, 其中, 颗粒增强的M MCs 已具备批量生产条件, 有良好的发展前景。
迄今, 已开发出不少非连续增强体MMCs的制备方法,见表1在表 1 列出的各种制备方法中, 搅拌混合法和挤压铸造法比较成熟,已具备批量生产的条件。
对搅拌混合法工艺已完成了大量研究工作,其中包括对增强体进行表面处理,以改善其与基体金属的浸润性;调整基体合金元素以减轻界面反应对MMCs性能的影响;在设备方面则改进了搅拌桨的形式以改善增强体分布的均匀性,此外,研究了增强体的加入机构,为降低气孔率还制作了施加负压的装置;在工艺条件上则研究了搅拌速度和金属熔体温度对混合均匀度和产生气泡的影响。
金属基复合材料性能及其在耐压壳体设计中的应用
深海潜水器耐压壳体是潜水器的主要组成部分，其性 能、结构形式对于潜水器性能有着决定性的影响。必须满 足潜水器重量、抗压、抗腐蚀等要求，保障潜水人员与设 备的安全。所以保证耐压壳体的强度与稳定性是其设计的 重点，而如何选择强度高、抗腐蚀性能强的材料则成为提 升耐压壳体质量的关键。考虑在一定水深压力下，耐压壳 体能够不因外力而产生结构性的损坏。在相关研究中从耐 压壳体材料的比强度、比刚度、可设计性、可装配性、可 生产性、经济性和重量排水比等方面进行评价 [2]。例如目 前常用的耐压壳体材料包括钢、铝、钛、玻璃等。钢的屈 服强度与比强度较高，所以在浅海耐压壳体的制造中应用 较为广泛。而在深海，则需要具备更优质抗压能力的钛合 金材料，钛合金材料强度、密度都具优势，所以是最佳的 耐压壳体材料，但钛合金材料的可焊接性不具备优势。
根据表 1 可知，铁基软磁材料样品具有很高的饱和 磁强度，在垂直磁场和平行磁场中，铁基软磁材料更容 易被磁化。在表 2 中，F r e q u e n c y 表示为样品的频率， μ2 表示为样品的有效磁导率。根据交流磁性能表可知， 铁基软磁材料的有效磁导率随着频率的增加而减少，最 后在频率 20 时大体就可以维持在稳定区间。 4 结论
作者简介：钱瑜（1983- ），女，江苏无锡，本科，工程师，研 究方向：磁性材料性能及测试。
9
材料：实验与研究 信息记录材料 2021年6月 第22卷第6期
中必须要增强其抗压强度，减少海水腐蚀，选择具有高强度、 高韧性、比重轻、耐腐蚀的新型材料。例如目最常使用的 包括金属和非金属材料作为耐压壳体的设计与使用材料， 满足深海潜水器对高性能设备的要求，希望本文研究能够 为耐压壳体材料选用与设计提供一定参考与理论依据。 2 金属基复合材料分类与性能
钛合金及其应用
V:属于稳定β相的元素,在Ti-V系中无 共析反应和金属化合物相,这样,在与加 热有关的工艺过程有误时,不致产生脆 性.
Nb:属于稳定β相的元素,但作为稳定 剂的效应比V低很多.
1 钛资源及钛产品的冶炼生产
1.1 钛资源的分布及特点
金属元素钛在地壳里的分布广泛，其含量是地壳质量的 4‰还要多一点，世界储量约34亿吨，在所有元素中含量居 10位。
钛在自然界中主要以氧化物的形式存在，目前已发现含 钛矿物有100多种，除金红石外，还有白钛矿、铁钛矿、钙 钛矿等。 金红石含TiO2在95%以上，是提炼钛的重要矿物原料，但在 地壳中储量较少。白钛矿含TiO2为70%～92%。钛铁矿、钙 钛矿含TiO2一般为35% ～52%，但是其储量非常大，是生产 金属钛和钛白粉的主要原料来源。
②Ｈ：是稳定β相的元素 钛在400℃以上 大量吸氢，会引 起氢脆。
③Fe, Si：与钛形成置换 固溶体，过量时形成脆 性化合物。
2.3 钛的组织与结构特征
纯钛的组织,500×:(a)等轴晶粒组织 ;(b)条状的α 组织;(c)呈锯齿状晶界
①等轴晶粒组织 :铸锭经加工变形后,在β 相变点以下退火,再 结晶后得到 ②条状的α组织:缓冷时得到 ③呈锯齿状晶界:缓慢冷却退火后或者快冷
提取金属钛的主要原料含钛矿石，根据其形成的过程，主 要分为岩矿和砂矿两大类：
■岩矿：原生矿，结构比较致密，储量较大，但多复合共生 物，所以钛矿物的品味较低，提取难度较大。主要出现在北 半球，如：中国，美国，加拿大，俄罗斯等国家。
■砂矿：次生矿，结构比较疏松，由于多年的风化和水流的 冲刷，矿物相对富集，品味较高。主要出现在南半球，如： 澳大利亚，新西兰，肯尼亚，莫桑比亚，印度等国家。
原位内生树枝晶增韧钛基非晶复合材料的组织与性能
l
i
t
senhanc
eds
i
i
f
i
c
an
t
l
he
s
eBMGCs,t
heme
any
i
e
l
ds
t
r
eng
t
h,t
ens
i
l
es
t
r
eng
t
handf
r
a
c
t
u
r
e
yi
gn
y.Amongt
,
,
,
s
t
r
a
i
no
fTi40.
r27.
e15.
u6.
b10 BMGCa
r
e1307 MPa 1428 MPaand9.
s
i
gn,
2007,28:428
433.
[
14] 王慧芳,龙思远,吴星宇,等 .铁镁含量及热处理对压铸铝硅合金
[
17] 陈建春 .铝合金变质、细化、合金化 材 料 及 铝 熔 体 物 理 净 化 材 料 的
[
15] 许长林,方建儒,杨亚峰,等 .变质及热处理对过共晶铝硅合金组
[
18] BACAICOAI,DWIVEDIP K,LUETJE M M,e
ope
r
t
i
e
s,De
f
o
rma
t
i
onBe
ha
v
i
o
r
y Wo
g
收稿日期:
2021
07
15;修改稿收到日期:
2021
6 金属基复合材料
6.2.2金属基复合材料的基本性能
5. 耐磨性好 6. 良好的疲劳性能和断裂韧性 良好的界面结合状态可有效传递载荷, 阻止裂纹的扩展， 提高材料的断裂韧性. 7. 不吸潮， 不老化，气密性好
6.2.3 金属基体在复合材料中的作 用
1. 固结增强体 2. 传递和承受载荷 3. 赋予复合材料一定形状， 保证复合材 料具有一定的可加工性. 4. 复合材料的强度、 刚度、密度、耐高 温、 耐介质、 导电、导热等性能均与基 体的相应性质密切相关.
二、钛及钛合金
钛及其合金由于具有比强度高、耐热性好、耐 蚀性能优异等突出优点，自1952年正式作为结构材 料使用以来发展极为迅速，在航空工业和化学工业 中得到了广泛的应用。化学性质十分活泼，缺点是 在真空或惰性气体中进行生产，成本高，价格贵。
钛基复合材料
二、钛及钛合金
（一）纯钛 钛是一种银白色的金属，密度小，熔点高，高的 比强度和比刚度，较高的高温强度。钛的热膨胀系数 很小，热应力较小，导热性差，切削、磨削加工性能 较差。在空气中，容易形成薄而致密的惰性氧化膜， 在氧化性介质中的耐蚀性优良，在海水等介质中也具 有极高的耐蚀性；钛在不同浓度的酸（ HF 除外）以及 碱溶液和有机酸中，也具有良好的耐蚀性。 纯钛具有同素异构转变，在882.5℃以上直至熔点 具有体心立方晶格，称为β —Ti。在882.5℃以下具有 密排六方晶格，称为α —Ti。
（二）钛合金
钛合金分为α 型钛合金 β 型钛合金 α +β 型钛合金 以TA、TB和TC表示其牌号
三、铜及铜合金
在自然界中既以矿石的形式存在，又以纯金属的形 式存在。其应用以纯铜为主。铜及铜合金的产品中， 80%是以纯铜被加工成各种形状供应的。
（一）纯铜 呈紫红色，又称紫铜。属重金属范畴，无同素异构 转变，无磁性。最显著的特点是导电、导热性好，仅次于 银。 高的化学稳定性，在大气、淡水中具有良好的抗蚀 性，在海水中的抗蚀性较差。 纯铜具有立方面心结构，极优良的塑性，可进行冷热 压力加工。
TiB_2颗粒增强钛基复合材料抗氧化性能
复合材料学报第27卷 第2期 4月 2010年A ct a M ateri ae C om p o sit ae Sini c aVol 127No 12April2010文章编号:100023851(2010)022*******收稿日期:2009204213;收修改稿日期:2009211212基金项目:吉林省科技发展计划项目(20090519)通讯作者:张 驰,博士,副教授,主要研究方向为塑性加工及自动化 E 2mail :yueying @TiB 2颗粒增强钛基复合材料抗氧化性能李月英,彭丽华,张 驰3,曹占义,刘勇兵(吉林大学汽车材料教育部重点实验室,长春130025)摘 要: 采用粉末冶金法制备了TiB 2/Ti 颗粒增强钛基复合材料,研究了不同烧结温度(800、900、1000和1100℃)TiB 2/Ti 复合材料在600、700、800和900℃空气中的恒温氧化行为,分析了TiB 2对钛基复合材料氧化动力学行为的影响,并对氧化层表面的相组成、形貌以及氧化层剖面的显微结构进行了分析。
结果表明:该复合材料的氧化层表面的氧化产物主要为金红石型TiO 2,此外还有Fe 2O 3、Al 2O 3和B 2O 3,未发现其它类型钛的氧化物;TiB 2/Ti 复合材料800℃恒温空气中氧化的氧化动力学曲线初始阶段氧化速度较快,随着氧化时间的延长,形成的氧化膜减慢了氧化的速度;随着增强体TiB 2体积分数的增加和烧结温度的提高,复合材料的抗氧化性能提高,这主要是由于提高烧结温度和提高增强体TiB 2的体积分数均有利于氧化层的致密度提高,从而提高了材料的抗氧化性能。
关键词: 钛基复合材料;TiB 2颗粒;抗氧化性;氧化动力学中图分类号: TB331 文献标志码:AOxidation properties of TiB 2/Ti compositesL I Yueying ,PEN G Lihua ,ZHAN G Chi 3,CAO Zhanyi ,L IU Y ongbing(Key Laboratory of Automobile Materials (Ministry of Education ),Jilin University ,Changchun 130025,China )Abstract : TiB 2/Ti composites were fabricated by powder metallurgy.The isothermal oxidation behavior of TiB 2/Ti composites sintered at different temperatures (800,900,1000and 1100℃)at 600,700,800and 900℃in air were investigated.The reaction products in the oxidation layer were examined by XRD.The surface morphology and cross 2sectional microstructure of the oxidation layer were analyzed by SEM.The results show that an oxidation layer mainly consists of rutile 2TiO 2,Fe 2O 3,Al 2O 3and B 2O 3.No other Ti oxides are observed within the oxidation layer.Oxidation kinetics curves of TiB 2/Ti composites at 800℃in air show that the oxidation speed is rapid at the beginning of oxidation ,but with the increase of oxidation time the oxidation speed becomes slow due to the formation of an oxidation film.With the increase of volume f raction of TiB 2reinforcements and sintering temperature ,the oxidation resistance of TiB 2/Ti composites can be increased.It is attributed to the formation of the thin and dense oxidation film.K eyw ords : titanium matrix composite ;TiB 2particles ;oxidation resistance ;oxidation kinetics 钛基复合材料(TMCs )具有比钛合金更高的比强度和比模量,具有极佳的耐疲劳和抗蠕变性能,并克服了原钛合金耐磨性及高温性能差等缺点,已成为超高音速宇航飞行器和下一代先进航空发动机的候选材料,并可以作为高温、高压、酸、碱、盐等条件下的结构材料[125]。
石墨烯增强钛基复合材料的研究进展
文章编号： 1009 − 444X （2021）01 − 0033 − 04石墨烯增强钛基复合材料的研究进展万召梅 ，李九霄 ，侯书洛 ，杨冬野（上海工程技术大学 材料工程学院，上海 201620）摘要：石墨烯作为增强相添加到钛基复合材料中能提高其各项性能. 通过对文献的梳理，介绍石墨烯增强钛基复合材料的制备方法及相关性能，并概述界面结构和增强机理的研究，最后对石墨烯增强钛基复合材料的未来发展趋势进行展望.关键词：石墨烯；钛基复合材料；力学性能；强化机理中图分类号： TB 331 文献标志码： AResearch Progress of Graphene ReinforcedTitanium Matrix CompositesWAN Zhaomei ，LI Jiuxiao ，HOU Shuluo ，YANG Dongye（ School of Materials Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China ）Abstract ：Graphene can improve the properties of titanium matrix composites by adding graphene as reinforcement phase. Through the literature review, the preparation methods and related properties of graphene reinforced titanium matrix composites were introduced, and researches on interface structure and reinforcement mechanism were summarized. Finally, the future development trend of graphene reinforced titanium matrix composites was prospected.Key words ：graphene ；titanium matrix composites ；mechanical properties ；strengthening mechanism石墨烯自报道以来便受到广大科研工作者的青睐.石墨烯的强度和模量分别可达125 GPa 和1 100 GPa ，约为钢材的100倍，并且具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性[1]. 与传统的颗粒纤维增强体相比，石墨烯凭借其特殊的结构成为金属基复合材料的理想增强体. 石墨烯作为增强体最早被引入铝基复合材料[2]，其后，关于石墨烯增强铜基、镁基、铁基等复合材料的研究都有报道.钛及其合金具有密度小、强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、汽车、医学等领域[3]. 钛基复合材料兼具各组分材料的优点，且拥有单一钛合金无法具有的优越性能. 以石墨烯作为增强相的新型钛基复合材料具有更优良的力学性能、耐腐蚀性和耐磨性等，为航空航天产品带来了可观的经济效益[4]. 本文在梳理文献的基础上，介绍了石墨烯增强钛基复合材料的制备、界面结构、性能和增强机制等的研究进展，并对未来研究方向进行展望.1 石墨烯增强钛基复合材料的制备石墨烯增强金属基复合材料的制备方法主要收稿日期： 2020 − 04 − 23作者简介： 万召梅（1995 − ），女，在读硕士，研究方向为模具. E-mail ：*********************通信作者： 李九霄（1978 − ），女，讲师，博士，研究方向为模具. E-mail ：*****************第 35 卷 第 1 期上 海 工 程 技 术 大 学 学 报Vol. 35 No. 12021 年 3 月JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY OF ENGINEERING SCIENCEMar. 2021包括熔炼锻造法、粉末冶金法、化学合成法和电沉积法等[5]. 孙峰等[6]采用粉末冶金法两种方法分别制备了石墨烯增强钛基复合材料并对其性能进行对比研究，实验结果表明粉末冶金法制备的复合材料的强度略高于熔炼锻造法. 目前，研究者多采用粉末冶金法制备石墨烯增强钛基复合材料，本文主要围绕粉末冶金法制备石墨烯增强钛基复合材料进行综述.1.1 复合材料的混粉工艺粉末冶金法制备石墨烯增强钛基复合材料的主要工艺为粉末混合工艺和后续成型工艺. 粉末混合工艺主要采用球磨法和机械搅拌法，这两种方法都能简单有效的混合粉末，但影响这两种工艺的因素较多，如球磨时的球料比、球磨速度和球磨时间等；搅拌时的搅拌速度、搅拌时间等. 粉末混合工艺很难统一，使得实验的重现性差，不利于研究成果的推广和使用. 苏颖等[7]通过球磨法制得石墨烯和钛合金的混合粉末，球料比为2，球磨时间为2.5 h. Mu等[8]将酒精与钛粉混合搅拌，再加入石墨烯与之混合，以400 r/min的速度球磨2.5 h 后得到混合粉末. 陈航等[9 − 10]将超声分散的氧化石墨烯溶液和钛合金混合搅拌，干燥制得复合粉. Zhou等[11]将超声分散的石墨烯与钛合金粉末在氩气V型粉末混合机中混合得到石墨烯/钛合金混合粉末.1.2 复合材料的成型烧结工艺复合材料的成型烧结工艺包括放电等离子烧结、热压烧结、真空烧结、微波烧结、激光烧结等.放电等离子烧结是一种新兴工艺，具有简单高效的特点；热压烧结由于烧结过程中同时加热加压，可以缩短烧结时间，但对烧结过程控制的要求比较高，生产成本高；真空烧结能提高致密度，但工作效率不高；微波烧结加热快，能制备细小的晶粒，但难以对材料的中大区域进行零梯度加热；激光烧结具有高速低成本的优点，但对材料尺寸厚度有要求.王伟等[12]在压力为50 MPa，温度为1 200 ℃，保温60 min的条件下利用放电等离子烧结工艺制备出致密性好、石墨烯均匀分散的石墨烯增强钛基复合材料，说明放电等离子烧结是制备石墨烯增强钛基复合材料的有效烧结工艺. Cao等[13]将石墨烯增强Ti6Al4V的复合材料在700 ℃、150 MPa 的条件下热等静压2 h，结合等温锻造和退火处理，在延展性不降低的基础上，制备出强度显著提高的石墨烯增强Ti6Al4V复合材料. Liu等[14]将石墨烯增强纯钛的复合粉置于50 MPa、1 200 ℃的条件下真空热压烧结30 min，制备出力学性能得到改善的复合材料. 王丽君[15]在1 000 ℃、保温30 min 的条件下，利用微波烧结制备了镀Cu石墨烯增强Ti6Al4V复合材料，结果表明其力学性能显著提高. Hu等[16]采用激光烧结法制备了高模量、高硬度的石墨烯增强钛基复合材料，研究结果显示激光烧结法是兼具快速、灵活、经济的烧结工艺.2 石墨烯增强钛基复合材料的性能石墨烯加入钛合金中，能不同程度地改善复合材料性能. 影响石墨烯增强钛基复合材料性能的因素很多，主要包括混粉方法、制备工艺、石墨烯含量（质量分数，全文同）和钛合金类型等.Yang等[17]制备不同石墨烯含量的石墨烯增强纯钛复合材料. 经1 h球磨，球料比为4，在1 350 ℃下微波烧结15 min，研究结果表明抗压强度随石墨烯含量的增加而增加，当含量增加到0.4%时，抗压强度下降. Thomas等[18]制备2%石墨烯纳米薄片的Ti2AlC复合材料，研究结果表明断裂强度提高335%，弯曲应力增加195%，弯曲应变增加41%. Hu等[19]制备不同含量氧化石墨烯增强钛的复合涂层，实验结果表示，复合涂层的摩擦因数随加入氧化石墨烯含量的变化而改变，氧化石墨烯含量为2.5%时，复合涂层的摩擦因数取最小值. Zhang等[20]制备石墨烯均匀分布、致密性较好的石墨烯/钛复合材料，复合材料的导热性能显著增强. 胡增荣等[21]制备均匀性较好的石墨烯增强钛纳米复合材料并研究其腐蚀性，研究结果表明，复合材料的腐蚀电位相比纯钛提高0.05 V，腐蚀电流降低9×10−8 A / cm2.综上，当石墨烯作为增强相添加到钛基复合材料中，复合材料的力学性能、摩擦磨损性能、导热性能和耐腐蚀性能都有不同程度的提高. 石墨烯添加量是影响性能的关键因素，通常在0.1%～0.8%. 石墨烯添加量过少，复合材料性能提升不明显；石墨烯添加量过多，则易导致聚合物团聚而降低复合材料的性能. 当石墨烯的添加量相同时，烧结工艺、烧结温度和压强等也会影响性能的提高.因此，可以在建立石墨烯增强钛基复合材料的石· 34 ·上海工程技术大学学报第 35 卷墨烯含量、钛基复合材料类型、制备工艺和力学性能等直接关联的大数据库方面开展研究，为石墨烯增强钛基复合材料提供数据支持和理论指导.3 石墨烯增强钛基复合材料的界面结构石墨烯增强钛基复合材料中石墨烯与钛基体的界面结合是当前研究的重点和难点[22]，在高温下，钛的性质非常活泼，极易与石墨烯发生界面反应[23]，原位自生TiC颗粒增强钛基复合材料[24 − 25].但关于石墨烯增强钛基复合材料的界面结构方面的研究还并不成熟. 目前的研究普遍采用建立数学模型来分析其复杂的界面结构. 何小晶等[26]用第一性原理模拟计算了石墨烯与Ti原子的关系，结果表明当温度达到1 100 K时，原子结合最紧密，界面结合最佳；当温度达到2 000 K时，界面结合作用开始减弱. 陈斌溢[27]也用第一性原理计算了钛/石墨烯/钛的界面性质，结果表明石墨烯层数、复合材料的缺陷等都对其有所影响，并且Ti原子和C原子的位置、石墨烯含量等都对结合能有一定的影响.Mu等[28]用化学镀镍的方法制备镀Ni石墨烯增强纯钛基复合材料，结果表明石墨烯纳米纤维（GNFs）和Ni原子之间形成强大的界面结合. 通过化学镀镍可以阻止TiC x生成，因此可以保留GNFs 的原始结构，使得复合材料的强度较纯钛有很大程度地提高. 这种控制界面结合情况对石墨烯增强钛基复合材料的研究具有重要意义. Zhang等[29]把用聚乙烯醇处理过的Ti6Al4V和用羧酸处理过的石墨烯混合，制备了三维网状结构的石墨烯增强Ti6Al4V的复合材料，这种网状结构可优化组织，使得复合材料的抗压强度和拉伸性能均有所提高.综上，石墨烯与钛合金的界面结构复杂，通常采用对石墨烯或者钛合金粉末进行表面处理的方法来提高界面结合强度，关于界面结构尚需更多基础理论研究.4 石墨烯增强钛基复合材料的强化机理石墨烯增强金属基复合材料的强化机理通常由多个机理共同作用[30]. 关于强化机理，已有研究表明：1）石墨烯的添加能减小材料亚晶粒尺寸，细化晶粒，增强材料性能；2）石墨烯能阻碍位错运动，形成高密度位错；3）石墨烯在基体中起到传递载荷的作用. 目前报道的强化机理主要有细晶强化、奥罗万（Orowan）强化、剪切滞后强化等.陈航等[9]制备石墨烯增强600 ℃高温钛合金的复合材料，研究结果表明石墨烯增强钛基复合材料的强化机理包含细晶强化、位错强化、第二相强化等3种强化机理. Song等[31]制备了多层石墨烯增强钛基复合材料，通过球形微压痕和划痕实验结果可以发现压痕屈服强度和抗划痕性能都有显著提高，研究认为其强化机理为Orowan强化. Zhou 等[11]制备多层石墨烯增强Ti47Al2Cr4Nb0.3W复合材料. 所得合金的抗弯强度、抗压强度和摩擦学性能都得到了不同程度地提高，研究指出其强化机理为细晶强化.石墨烯增强钛基复合材料的强化机理较为复杂，现有细晶强化、Orowan强化、剪切滞后强化等3种机理的比重目前尚没有统一的定论.5 结 语石墨烯作为增强相加入到钛合金中，钛基复合材料的强度、弹性模量和耐磨性等在室温和高温下都有所提高，但其塑性通常略有降低，这制约了石墨烯增强钛基复合材料在大多数关键工程中的应用.目前，石墨烯增强钛基复合材料的制备中，面临的第一个研究重点问题是如何获得高强度高塑性材料. 采用新型的粉末冶金法可在不降低塑性的同时提高强度，但制备理想的无气孔石墨烯增强钛基复合材料仍有困难，钛层厚度、石墨烯的粒径及其层数、烧结温度及烧结工艺等都是影响性能的重要因素. 另一重点是石墨烯的均匀分散及界面问题. 石墨烯的添加不足及添加过多都会影响石墨烯的均匀分布，同时随着石墨烯含量的增加，复合材料的气孔率会增加而降低材料性能. 石墨烯在钛基体中的分散问题尚需要研究. 对于界面问题，当前的研究主要集中在对石墨烯或者钛合金进行表面改性方面，提高界面润湿性能在一定程度上增强界面结合.此外，针对石墨烯在钛基体中强化机理的研究，大多建立在金属基复合材料增强机理的基础第 1 期万召梅等：石墨烯增强钛基复合材料的研究进展· 35 ·上，但对其具体的增强机理并没有做出说明. 因此，如何解决上述问题，从而制备出高质量的石墨烯增强钛基复合材料将会是未来研究的重点.参考文献：ZHU Y W, MURALI S, CAI W W, et al. Graphene andgraphene oxide: Synthesis, properties, and applica-tions ［J ］ . Advanced Materials ，2010，22（35）：3906 −3924.［ 1 ］WANG J Y, LI Z Q, FAN G L, et al. Reinforcement withgraphene nanosheets in aluminum matrix composites ［J ］ .Scripta Materialia ，2012，66（8）：594 − 597.［ 2 ］李蒙, 凤伟中, 关蕾, 等. 航空航天紧固件用钛合金材料综述［J ］ . 上海有色金属材料与工程，2018，39（4）：49 −53.［ 3 ］ZHANG Z Y, LIANG Y L, CAO H C, et al. Thepreparation and mechanical properties of a pure titanium-based matrix composite reinforced with graphene nanoplatelets ［J ］ . Science of Advanced Materials ，2020，12（2）：296 − 303.［ 4 ］王剑桥, 雷卫宁, 薛子明, 等. 石墨烯增强金属基复合材料的制备及应用研究进展［J ］ . 材料工程，2018，46（12）：18 − 27.［ 5 ］孙峰, 王凯旋, 杨辉, 等. 石墨烯增强钛基复合材料制备工艺与性能研究［J ］ . 钛工业进展，2019，36（1）：8 − 12.［ 6 ］苏颖, 左倩, 杨刚, 等. 石墨烯增强钛基复合材料的压缩变形行为研究［J ］ . 稀有金属材料与工程，2017，46（12）：3882 − 3886.［ 7 ］MU X N, CAI H N, ZHANG H M, et al. Uniformdispersion of multi-layer graphene reinforced pure titanium matrix composites via flake powder metallurgy ［J ］ .Materials Science and Engineering: A ，2018，725：541 −548.［ 8 ］陈航, 弭光宝, 李培杰, 等. 氧化石墨烯对600 ℃高温钛合金微观组织和力学性能的影响［J ］ . 材料工程，2019，47（9）：38 − 45.［ 9 ］ZHANG X J, SONG F, WEI Z P, et al. Microstructural andmechanical characterization of in-situ TiC/Ti titanium matrix composites fabricated by graphene/Ti sintering reaction ［J ］ . Materials Science and Engineering: A ，2017，705：153 − 159.［10］ZHOU H T, SU Y J, NA L, et al. Modification ofmicrostructure and properties of Ti-47Al-2Cr-4Nb-0.3W alloys fabricated by SPS with trace multilayer graphene addition ［J ］ . Materials Characterization ，2018，138：1 −［11］10.王伟, 周海雄, 王庆娟, 等. 石墨烯增强钛基复合材料的摩擦学性能研究［J ］ . 兵器材料科学与工程，2019，42（1）：26 − 32.［12］CAO Z, WANG X D, LI J L, et al. Reinforcement withgraphene nanoflakes in titanium matrix composites ［J ］ .Journal of Alloys Compounds ，2017，696：498 − 502.［13］LIU J Q, HU N, LIU X Y, et al. Microstructure andmechanical properties of graphene oxide-reinforced titanium matrix composites synthesized by hot-pressed sintering ［J ］ . Nanoscale Research Letters ，2019，14（1）：114 − 126.［14］王丽君. 发动机用石墨烯表面镀Cu 增强钛基复合材料的制备及力学性能［J ］ . 粉末冶金工业，2018，28（3）：57 −60.［15］HU Z G, TONG G Q, NIAN Q, et al. Laser sintered singlelayer graphene oxide reinforced titanium matrix nanocomposites ［J ］ . Composites Part B: Engineering ，2016，93：352 − 359.［16］YANG W Z, HUANG W M, WANG Z F, et al. Thermaland mechanical properties of graphene–titanium composites synthesized by microwave sintering ［J ］ . Acta Meta -llurgica Sinica(English Letters)，2016，29（8）：707 − 713.［17］THOMAS T, ZHANG C, SAHU A, et al. Effect ofgraphene reinforcement on the mechanical properties of Ti 2AlC ceramic fabricated by spark plasma sintering ［J ］ .Materials Science and Engineering: A ，2018，728：45 −53.［18］HU Z R, LI Y, FAN X L, et al. Mechanical andtribological property of single layer graphene oxide reinforced titanium matrix composite coating ［J ］ . AIP Conference Proceedings. 2018，1955（1）：020014.［19］ZHANG Z Y, ZHU Y, LIANG Y L, et al. Preparation andthermal properties of graphene nanosheet/Ti compo-sites ［J ］ . Proceedings of 2017 International Conference On Structural, Mechanical And Materials Engineer.Seoul: IETP ，2017.［20］胡增荣, 童国权, 张超, 等. 激光烧结石墨烯钛纳米复合材料及其耐腐蚀性能［J ］ . 中国表面工程，2015，28（6）：127 − 132.［21］席少静. 碳纤维增强钛基复合材料的界面与性能研究［D ］ . 长春: 长春工业大学, 2016.［22］BAGCHI S, KE C H, CHEW H B. Oxidation effect on theshear strength of graphene on aluminum and titanium surfaces ［J ］ . Physical Review B ，2018，98（17）：174106.［23］(下转第42页)威锋. 美国麻省理工学院研发更保暖的潜水服新材料［J ］ . 军民两用技术与产品，2016（23）：28.［ 7 ］颜奥林, 王鸿博, 杜金梅, 等. 纤维素纤维的种类对织物热湿舒适性的影响［J ］ . 丝绸，2020，57（9）：17 − 21.［ 8 ］张声岚, 甘礼福, 汪雕, 等. 基于自适应模糊PID 的电动车手套控温保暖系统［J ］ . 桂林理工大学学报，2020，40（2）：415 − 421.［ 9 ］吴雨曦. 面向高龄女性的智能调温加热服开发与舒适性研究［D ］ . 上海: 东华大学, 2020.［10］赵静, 张凯, 李乃洁. 方差分析法和极值法统计在样本均匀性检验中的应用［J ］ . 品牌与标准化，2011（16）：42.［11］郭伟其, 沙伟, 沈红梅, 等. 东海沿岸海水表层温度的变化特征及变化趋势［J ］ . 海洋学报(中文版)，2005，27（5）：1 − 8.［12］陈梦萍. 冬季针织保暖手套的温热舒适性研究［D ］ . 西安: 西安工程大学, 2014.［13］（编辑：林立云）(上接第36页)徐欢, 郭相龙, 吕维洁. 原位自生TiC 与TiB 增强钛基复合材料的组织和力学性能［J ］ . 机械工程材料，2020，44（1）：62 − 67, 73.［24］FU W, HU S P, SONG X G, et al. Wettability and bondingof graphite by Sn0.3Ag0.7Cu-Ti alloys ［J ］ . Carbon ，2017，121：536 − 543.［25］何小晶, 原梅妮, 李立州, 等. 石墨烯增强钛基复合材料界面的第一性原理研究［J ］ . 热加工工艺，2018（10）：96 −100.［26］陈斌溢. 石墨烯/Ti 基复合材料界面性质和力学行为的原子尺度模拟［D ］ . 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2019.［27］MU X N, CAI H N, ZHANG H M, et al. Uniformdispersion and interface analysis of nickel coated graphene ［28］nanoflakes/pure titanium matrix composites ［J ］ . Carbon ，2018，137：146 − 155.ZHANG F M, WANG J, LIU T F, et al. Enhancedmechanical properties of few-layer graphene reinforced titanium alloy matrix nanocomposites with a network architecture ［J ］ . Materials and Design ，2020，186：108330.［29］李勇, 赵亚茹, 李焕, 等. 石墨烯增强金属基复合材料的研究进展［J ］ . 材料导报，2016，30（11）：71 − 76.［30］SONG Y, CHEN Y, LIU W W, et al. Microscopicmechanical properties of titanium composites containing multi-layer graphene nanofillers ［J ］ . Materials and Design ，2016，109：256 − 263.［31］（编辑：林立云）。
连续SiC纤维增强钛基复合材料应用及研究进展
2023 年第 43 卷航 空 材 料 学 报2023，Vol. 43第 6 期第 1 – 19 页JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS No.6 pp.1 – 19引用格式：王敏涓，黄浩，王宝，等. 连续SiC纤维增强钛基复合材料应用及研究进展[J]. 航空材料学报，2023，43(6)：1-19.WANG Minjuan，HUANG Hao，WANG Bao，et al. Application and research progress of continuous SiC fiber reinforced titanium matrix composite materials[J]. Journal of Aeronautical Materials，2023，43(6)：1-19.连续SiC纤维增强钛基复合材料应用及研究进展王敏涓1,2, 黄 浩1,2*, 王 宝1,2, 韩 波1, 杨平华1, 黄 旭1（1．中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2．中国航空发动机集团 先进钛合金重点实验室，北京 100095 ）摘要：连续SiC纤维增强钛基（SiC f/Ti）复合材料具有比强度高、比模量高、耐高温等特点，在航空航天领域具有重要的应用前景。
本文总结了SiC f/Ti复合材料的应用、制备、性能调控和检测技术，并提出了SiC f/Ti复合材料未来需要突破的瓶颈问题。
SiC f/Ti复合材料单向性能优异，在环类转动件（叶环、涡轮盘等）、杆件（涡轮轴、连杆、紧固件等）以及板类构件（飞机蒙皮等）具有明显应用优势。
常用的SiC f/Ti复合材料的制备方法有箔压法和基体涂层法，箔压法适合制备板类结构件，基体涂层法适用于缠绕形式的结构件，如环、盘以及杆等。
SiC f/Ti复合材料的性能主要取决于SiC纤维、钛合金基体以及纤维/基体界面。
SiC纤维微观结构和性能对制备工艺具有较强的敏感性，通过反应器结构和沉积条件调控获得性能稳定的SiC纤维是研究重点之一。
复合材料第五章(1)金属基复合材料-金属基复合材料的分类
增强相含量, vol % 50 50 35~40 35 50 50 18~20 20 35 45
抗拉强度， MPa
1200~1500 1300~1500 700~900 500~800
650 900 500~620 400~510 1500~1750 1300~1500
拉伸模量， GPa
200~220 210~230 95 ~ 110 100~150
工艺优点： 制品有一定形状（可制备各种型材）
47
（4） 粉末(冶金)法（Slurry Powder Metallurgy） 工艺特点：解决了使用金属箔材成本高问题
工艺优点：成本低
工艺关键：低温真空下聚合物粘接剂必须能够完全挥发
48
工艺概要： 1）制备基体粉末/聚合物粘接剂胶体（可将胶体轧制成薄带） 2）用胶体固定纤维，干燥获得粉末/纤维预制片 3）或按粉末法纤维/基体复合丝方法制备复合丝 4）真空扩散结合制备复合材料
49
图5.16 粉末（冶金）法制备金属基复合料材料示意图 50
2.2.3 液态法 — 非连续增强相金属基复合材料制备工艺
（1） 压铸法（Squeeze Casting） 工艺特点：压力、液态或半液态金属 工艺概要：压力作用下，液态或半液态金属以一定速度 充填增强材料预制体空隙中并快速凝固成型 工艺关键：熔融金属温度、模具预热温度、压力、加压速度
220 130 96 ~138 ~100 210 ~230 220
密度， g/cm3
2.6 2.85~3.0
2.6 2.4 3.3 2.9 2.8 2.8 3.9 3.7
13
（2）高的韧性和冲击性能
相对聚合物、陶瓷基复合材料而言，
金属基复合材料具有较高的韧性和耐冲击性能 ！
钛基复合材料
二、原位合成主要制备方法
5、快速凝固法( RSP)：将传统的熔铸工艺和快速凝固技术结 合来制备原位合成钛基复合材料。增强相或者在凝固前生成,或 者在随后的时效过程中从过饱和固溶体中析出形成。 6、机械合金化法( MA)：该方法是将两种或两种以上的金属与 金属,或金属与非金属的粉末混合物进行研磨,最终形成具有微 细组织的合金。
钛基复合材料
----原位合成法
一、制备方法分类
外加法：通过在熔融或粉末基体材料中添加陶瓷增强相制得， 而增强相是事先制成的。 缺点：由于钛及其合金性质活泼还必须要解决增强体和基体合 金的润湿、反应界面等一系列问题。与普通铸造材料相比制造 成本高，价格昂贵。 举例：粉末冶金、喷射位合成主要制备方法
1、高温自蔓延合成法( SHS)：高温自蔓延合成法是利用放热 反应使混和体系的反应自发地持续进行,而生成金属陶瓷或金属 间化合物的一种方法。 Ti和B的粉末压制体,通过SHS和随后的密实过程,合成了含TiB 晶须的钛基复合材料。其密度接近材料的理论密度,表现出高的 硬度和抗断裂性。
一、制备方法分类
原位合成：其中的增强相是通过外加元素之间发生化学反应而 生成。 优点：制备工艺简单,可以用传统的钛合金熔炼和加工工艺制备 大尺寸的钛基复合材料,如:挤压、锻造、轧制等,大大降低了成 本;增强体和基体在热力学上稳定,因此在高温工作时,性能不易 退化;增强物和基体的界面干净,没有界面反应物;原位生成的增 强相在基体中分布均匀,表现出优良的力学性能。
7、反应热压法( RHP)：它将放热发应生成增强体和随后的热 固结工艺合二为一,制备出致密的原位增强复合材料。
三、原位合成发展方向
原位合成钛基复合材料是目前钛基复合材料的研究热点,今后的 发展方向主要有以下几个方面: 1)进一步降低原位合成钛基复合材料的成本,探索低成本的反 应体系和工艺。 2)基体合金的重新设计,针对不同条件,设计不同成分的基体合 金和不同配比、不同含量的增强相的复合材料,满足其实际使用 要求。 3)拓展应用领域,目前原位合成钛基复合材料主要应用在航空 航天等领域,通过开发低成本的原位合成钛基复合材料,推广其 在民用工业上的应用。
TiO2碳复合材料的可控制备及储能性能研究
TiO2/碳复合材料的可控制备及储能性能研究一、推荐单位铜仁学院二、拟推荐等级自然科学奖二、三等奖三、项目简介发展先进的大规模能量存储技术是高效利用可再生能源（如风能、太阳能、水能、潮汐能）的重要策略。
在现有成熟的储能技术中，可充电电化学储能器件如锂离子电池、新型室温钠离子电池及锂/钠离子混合电容器等因其能大幅提升储能效率而极具发展前景。
其中，储能器件中储能材料是实现高效能源存储的关键。
TiO2具有低成本、安全系数高、循环寿命长等特点，作为锂（钠）离子电池、锂/钠离子混合电容器阳极材料具有明显优势，但未经改性的TiO2电子电导和离子电导低，严重限制了其在阳极材料中的应用。
针对这些问题，经过多年的不懈探索，从TiO2的晶相调控、缺陷引入、形貌结构设计及碳复合取得了系列创新性进展，获得了长寿命、低成本和高安全性的TiO2负极材料。
项目以提升TiO2阳极材料储锂、储钠特性为目的，筛选了有效钛源、还原剂及杂原子来源，实现了对二氧化钛晶相组成、掺杂、微结构设计及碳材料复合有效调控，系统研究了其储能特性及离子扩散动力学，特别是对TiO2的掺杂方式及与碳材料复合策略进行了卓有成效的探索，取得了一系列具有十分重要的科学理论和工程应用价值的研究成果，具体如下：(1) 晶相调控：不同晶型的二氧化钛嵌锂、嵌钠动力学差别极大。
控制化学反应条件合成了金红色、锐钛矿和青铜相TiO2，发现热力学最稳定的微米级金红色TiO2几乎无储锂、储钠活性，经过纳米化处理之后，可以大幅提升其储锂、储钠容量。
通过控制热处理温度获得了锐钛矿/青铜相共存TiO2，二者协同提升了离子存储过程赝电容的贡献，大幅提升了电化学性能。
该研究为TiO2阳极材料的晶相设计提供了切实可行的理论指导。
(2) 掺杂设计：针对钛基化合物倍率性能差的问题，开发了电化学法合成了三价钛自掺杂的TiO2纳米晶，引入了空位缺陷，减小了其能带间隙，提高了TiO2的电子电导率。
据此设计的自掺杂型黑色TiO2显示了优异的倍率性能。
钛基复合材料的应用
钛基复合材料的应用10级金属（1）班刘超凡1007024101钛基复合材料的应用在现有的基础上提高高温钛合金的使用温度存在着较大的困难，难以满足日益苛刻的综合性能要求。
于是，钛合金向钛材料的新一族——钛基复合材料(TMCs)发展的转移趋势也应运而生。
近年来，由于其相对钛合金更为优异的综合性能，钛基复合材料引起人们广泛关注。
目前，钛基复合材料最重要、最有潜力的应用领域之一是在航空航天结构材料以及航空航天发动机材料。
为提高高温钛合金的性能及使用温度，钛基复合材料应该具有高比强度、高比模量，更为重要的是，应在高温条件下有高的强度、优异的抗蠕变性能、可靠的热稳定性、抗氧化性以及高的疲劳强度。
为争夺钛材料的技术和市场优势，世界各国纷纷开始进行了钛合金复合材料的开发研究。
钛基复合材料是指在钛或钛合金基体中植入刚硬陶瓷增强体的一种复合材料。
它把金属的延展性、韧性与陶瓷的高强度、高模量结合起来，从而获得了更高的剪切强度和压缩强度以及更好的高温力学性能。
TMCs极具吸引力的物理性能和力学性能，诸如高模量、高强度、抗氧化，已经许多研究证明。
钛基复合材料的研究开始于70年代，在80年代中期，美国航天飞机（NASP）和整体高性能涡轮发动机技术(IHPTET)以及欧洲、日本的同类发展计划的实施推动了钛基复合材料的发展。
例如美国Dynamet技术公司开发的CermeTi系列TiC/Ti-6Al-4V复合材料，用作半球形火箭壳、导弹尾翼和飞机发动机零件。
日本丰田公司利用粉末冶金法制备了TiB短纤维增强Ti-7Mo-4Fe-2Al-2V复合材料，成功应用在丰田引擎中，作为进气、出气阀的材料。
在航天航空、军用和民用领域获得实际应用，体现出研究和开发钛基复合材料的重要价值。
钛基复合材料主要分为两大类：连续纤维增强钛基复合材料和颗粒增强钛基复合材料。
早期研究的主要领域是以碳化硅纤维增强的钛基复合材料，可显著提高基体合金的机械性能，但纤维增强钛基复合材料受到以下几个因素的制约：碳化硅纤维价格昂贵、加工工艺复杂、各向异性。
钛基复合材料
钛基复合材料
钛基复合材料是一种新型的材料，它具有很高的比强度和比模量，同时还具有很好的耐热性和耐腐蚀性。
钛基复合材料由钛合金作为基体，再加入一定比例的复合材料，如碳纤维、玻璃纤维等，经过特定的工艺加工而成。
这种材料不仅具有传统金属材料的优点，还兼具复合材料的优异性能，因此在航空航天、汽车、船舶和其他高端制造领域有着广泛的应用前景。
首先，钛基复合材料具有很高的比强度和比模量。
相比于传统的金属材料，钛基复合材料的比强度和比模量要高出很多，这意味着在相同质量下，钛基复合材料的强度和刚度都更高，能够承受更大的载荷和变形。
这使得钛基复合材料在航空航天领域得到了广泛的应用，例如在飞机结构件和发动机零部件中的应用。
其次，钛基复合材料具有很好的耐热性和耐腐蚀性。
由于钛基复合材料的基体是钛合金，而复合材料的添加可以进一步增强其耐热性和耐腐蚀性，使得它能够在高温和腐蚀环境下工作。
这使得钛基复合材料在航空航天和船舶制造中得到了广泛的应用，例如在航空发动机和船舶结构中的应用。
最后，钛基复合材料还具有很好的加工性能和成型性能。
钛基复合材料可以通过多种工艺加工成各种复杂的形状，如挤压、锻造、拉伸等，同时可以通过复合材料的添加实现定向增强，使得其性能得到进一步提升。
这使得钛基复合材料在汽车制造领域得到了广泛的应用，例如在汽车发动机和车身结构中的应用。
总的来说，钛基复合材料具有很高的比强度和比模量，很好的耐热性和耐腐蚀性，以及很好的加工性能和成型性能，因此在航空航天、汽车、船舶和其他高端制造领域有着广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步，相信钛基复合材料将会在未来得到更广泛的应用，为各个领域的发展提供更多可能性。
钛材的性质及其在建筑上的应用_张锦
⊙
⊙
氯化钠
⊙
○
⊙
氯气ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
⊙
X
X
氢化硫气体 ⊙
○
X
亚硫酸气体 ⊙
○
X
等级： ⊙ ＜ 0． 05mm / 年 ○0． 05-0． 5mm / 年 △0． 55-1． 27 mm / 年 X ＞ 1． 27mm / 年
2． 4 热强性能好
钛的熔点高达 1，660℃ ，属于不燃材料，其在火
灾测试中能够经受 1，100℃ 的高温。所以作为建筑
2015 年第三期
中国钛业
11
钛材的性质及其在建筑上的应用
张锦
（ 宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014）
摘 要： 钛材是优质的轻型建筑结构材料、新型功能材料。本文介绍了钛材料的性能及其在建筑上的应用，并展望 其发展前景。 关键词： 钛材； 建筑材料； 材料特性； 应用
The properties of titanium material and its application in building
图 1 东京电力馆的屋顶
3． 2 欧美
于 1997 年建成的西班牙毕尔巴鄂市的古根海 姆博物馆 ，其 造 型 是 由 曲 面 块 体 组 合 而 成 ，用 闪 闪 发光的钛金属饰面，是解构主义建筑大师盖里的杰 作。为了呼应建筑整体的汹涌动势的生命感，设计 者故意使用了这种表面凹凸不平的钛合金板作为 建筑外皮，在满足设计者所要表达的生命力意象的 同时，也满足了建筑技术功能需要。它现在已经成 为钛材建筑应用的一个里程碑，为未来的项目打开 了大门。
构件，一方面能够减小主体结构的承载量，便于吊运 安装，满足建筑轻型化的要求； 另一方面，钛的这种 机械性能使钛材的耐久性、抗震性及抗弯曲性能好， 即便遭到强烈震动（ 地震） 以及暴风雨的冲击也不 易损坏，有 利 于 提 高 建 筑 物 的 整 体 抗 震 能 力。 钛 还 是绝缘性最好的金属之一，其热导率为 10Btu / h-F， 是铝的十分之一，它能够提高建筑的节能效率。
TC4基复合材料等温挤压变形组织演化和力学性能
TC4基复合材料等温挤压变形组织演化和力学性能钛基复合材料同时具备良好的力学性能和优异的高温耐久性能,在航空航天、先进军事等高技术领域具有广阔的应用前景。
原位自生的非连续增强钛基复合材料由于与传统钛合金制备技术的相容性,成为近年来钛基复合材料的重要研究热点。
然而,增强体的加入在提高诸多性能的同时降低了钛基复合材料的塑性,虽然塑性变形能够在提高其强度的同时改善塑性,但高的屈强比使变形工艺非常敏感,压缩了适合变形的工艺区间,加大变形加工的难度。
现有普通热锻、热轧、热挤压等方法对其在较高温度变形加工时,与模具的较大温差损失了材料的热量,使得变形加工只能采用小变形量的多道次和高应变速率进行,加剧了变形组织的不均匀性和增强体断裂程度,对塑性改善较为有限。
针对当前钛基复合材料热加工方法的不足,本文提出了能够消除材料和模具的温差,并提供强烈的三向压应力的等温挤压技术。
系统研究了挤压模角、挤压温度、挤压变形量等主要挤压参数对TC4基复合材料的基体组织形貌和晶粒取向,增强体的形貌和分布以及力学性能的影响规律,通过对基体TC4合金和不同增强体类型及含量的复合材料等温变形组织特征的研究揭示了增强体对复合材料变形组织和性能的作用机制。
主要研究内容和结论如下:1)利用原位自生方法制备出了多种具有不同增强体类型及含量的复合材料,研究了增强体类型及含量对复合材料组织的影响规律。
在铸态组织中,各复合材料增强体总体分布均匀,增强体的加入显著细化了基体TC4合金的初始β晶粒和β转变组织,阻碍了粗大连续晶界α相的生成。
随着增强体含量的增加,局部出现了团簇现象,在体积含量10vol.%的复合材料中生成了粗大TiC初晶和片状TiB初晶,急剧降低了复合材料的塑性。
增强体的加入促进了变形中基体组织的动态再结晶,协调了基体组织的变形,获得了比基体合金更为均匀的变形组织。
2)利用透射和扫描电镜研究了变形工艺参数对基体组织形貌的影响规律,揭示了变形中基体组织细化机制。
钛合金表面激光熔覆原位合成TiBTiB2Ti复合材料涂层
—————————钛合金表面激光熔覆原位合成ＴｉＢ＋ＴｉＢ：／Ｔｉ复合材料涂层蔡利芳等——公式（７）中的Ｃ“为恒压摩尔热容，其中口ｉ，ｂ；，ｃ；，ｄ；为物质ｉ的特性常数。
对于任何一个化学反应其吉布斯自由能变化的计算公式可表示为：ＡＧ＝Ｇ产物一Ｇ反应物（８）利用文献［９，１０］中的热力学数据，按照上面给出的公式计算了上述化学反应的吉布斯自由能ＡＧ，计算结果见图１。
由图可知，三个反应的吉布斯自由能变化△Ｇ均为负值，说明在激光熔覆过程中，上述三个反应均可能发生。
同时，由于反应（２）的吉布斯自由能变化值最低，因此在Ｔｉ—Ｂ材料系统中生成ＴｉＢ：的倾向最大，但是当有过量Ｔｉ存在时，先生成的ＴｉＢ：将会与过量的Ｔｉ发生式３所示的反应，形成ＴｉＢ，因此激光熔覆结果中会存在ＴｉＢ和ＴｉＢ２两种增强相。
０－６０．１２０・１Ｂ０—２４０－３０００５００１０００１５００２０００２５００眦２０３０４０５０６０７０８０９０１００１ｌＯ２０／（‘）图２激光熔覆涂层Ｘ射线衍射谱图３为激光熔覆层横截面的组织，从图中可知，在两种不同比例混合粉末条件下，激光熔覆层均与基体形成了良好的冶金结合，激光熔覆层内部组织致密，反应生成的增强相均匀地分布在钛合金基体中。
随着Ｂ粉含量的增加（见图３ｂ），熔覆层中形成的增强相增多。
由于试验中预置粉末层较厚，在结合界面处由于激光能量不足存在少量的未完全反应的Ｂ颗粒（图３ａ中箭头所示）。
在图３ａ中界面附近出现未形成增强相颗粒的区域（Ａ），是由于表面部分熔化的钛合金粉末颗粒未及参与激光熔池的物理冶金过程所致。
图１式（１）式（２）和式（３）的Ｇｉｂｂｓ自由能ＡＧ随温度的变化２．２微观组织和相分析（ａ）ｎ—ＩＢ（”Ｔｉ－２Ｂ单道激光熔覆带表面光滑，均匀致密，无裂纹，宽约４．５ｍｍ，厚约１．５ｍｍ。
图２是Ｔｉ－２Ｂ混合粉末经激光图３激光熔覆层横截面的宏观形貌熔覆后熔覆层的ｘ射线衍射分析结果，由图２可知，熔（Ｐ２１．５ｋＷ，Ｖ＝５。