Ti基复合材料及其制备技术研究进展评述

先进材料制备科学与技术课题报告

——Ti基复合材料及其制备技术研究进展报告

学院：材料科学与工程学院

学号：SY1401210

姓名：刘正武

2014年12月24日

摘要

钛基复合材料(TMCS)以其高的比强度、比刚度和良好的抗高温、耐腐蚀性能,在航空航天、汽车等领域有着广阔的应用前景,引起了材料研究者的广泛兴趣。国外对钛基复合材料的研究已有近40年的历史,发展相当迅速,开发出来的原位合成工艺、纤维涂层等制备技术已经成功用于制备高性能钦基复合材料。国内TMCS研究起步较晚,虽取得了一定成绩,但与国外相

比还有一定差距。

本文主要从钛基复合材料的研究背景，强化原理，以及存在的主要问题方面做了总结，并对国内外的研究现状作了简要评述。钛合金本身具有较高的室温和高温比强度、低密度、高弹性模量。加入增强相，又进一步提高比弹性模量、比强度和抗蠕变能力。颗粒增强钛基复合材料(PTMCS)与纤维增强钛基复合材料(FTMCS)相比，具有制备工艺较简单，成本较低，无各向异性，可得到近净型零件等优点，是很有前途的复合材料。自生钛基复合材料基体将由纯钛基体向Ti6Al转化，并加入其它的合金元素，会得到实际应用。

关键词：钛基复合材料；性能；制备；研究进展

目录

第1章前言 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

1.1研究背景及原理-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4

1.2 主要问题 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 第2章国内外研究进展及评述 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 6

2.1 Ti基复合材料增强体的种类---------------------------------------------------------------------------------------------- 6

2.2陶瓷颗粒增强钛基复合材料 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 7

2.2 自生钛基复合材料--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 第3章结论 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 13 参考文献 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14

第1章前言

1.1研究背景及原理

随着科学技术的大力发展，对材料性能的要求也越来越高，现有高强度、高模量、耐高温、低密度的单一材料已远远不能满足使用要求。为此，国内外大量学者采用复合技术将不同性能的材料复合起来，取长补短，得到单一材料无法比拟的"综合性能优越的新型复合材料。复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体，通过复合工艺形成的材料。它克服了单一材料的某些弱点，产生协同效应，使之综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求与普通单增强相复合材料相比，其冲击强度"疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。复合材料的种类繁多，按其基体材料不同可分为金属基"树脂基和陶瓷基复合材料。

目前，金属基复合材料是我国应用较为广泛，发展迅速的复合材料。它采用金属或合金为基体，以纤维，晶须，颗粒等为增强体，通过合理的设计和良好的复合工艺，使基体和增强体之间取长补短，发挥了各自的性能及工艺优势与传统的金属材料相比，金属基复合材料往往具有更高的比强度（强度和密度之比），比模量（模量和密度之比更），好的耐热性以及更低的热膨胀系数。迄今为止，由于金属基复合材料的制备工艺不完善，成本高等因素，导致难以大规模生产。

钛合金具有比强度高、抗蚀性和耐热性优异等突出优点，是航空航天飞行器、先进武器系统的主要结构材料之一，可达到减轻重量、提高结构效率和可靠性、延长使用使用寿命的目的。钛合金在国外第三代战斗机上用量已达到15%-25%，在第四代战斗机 F-22 上用量高达 41%。

钛合金本身具有较高的室温和高温比强度、低密度、高弹性模量。加入增强相，又进一步

提高比弹性模量、比强度和抗蠕变能力。颗粒增强钛基复合材料(PTMCS)与纤维增强钛基复合材料(FTMCS)相比，具有制备工艺较简单，成本较低，无各向异性，可得到近净型零件等优点，是很有前途的复合材料。

1.2 主要问题

大推重比发动机及高超音速飞行器的快速发展对材料耐高温性能提出了越来越高的要求。目前，普遍认为传统的高温钛合金的“热障”温度为 600℃。在“热障”温度以上，钛合金在服役过程中蠕变抗力和高温抗氧化性能的急剧降低，制约了钛合金使用温度的提高。虽然材料学家期望通过合金化手段提高钛合金的耐高温性能，但收效甚微。因此，为了满足航空航天武器装备轻量化及耐高温要求，开发以钛合金为基体的钛基复合材料(TMCs)逐渐引起了材料研究者的极大兴趣。

在钛基复合材料的制备方法上，应发展低成本的制备工艺，以适应在民用工业上的推广应用。燃烧合成法、熔铸法作为自生钛基复合材料低成本的制备方法将会得到广范应用。在材料的设计方面，侧重于基体材料的合理设计。自生钛基复合材料基体将由纯钛基体向Ti6Al转化，并加入其它的合金元素，会得到实际应用。自生钛基复合材料的增强相以颗粒状存在时增强效果好，纯钛及Ti6Al 基体的增强相会以共晶 TiC 为主。用熔铸法制备的钛基复合材料，由于其成本低，易于生产，复合材料性能可以满足使用要求，必然会被用于民用工业上，尤其是汽车工业。用熔铸法制备的钛基复合材料，在制备过程中，当其增强相形态及数量达到可控及可进行设计时，复合材料的应用将会有更大的发展。