非连续增强钛基复合材料研究进展

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1、非连续增强钛基复合材料研究进展黄陆军，耿林(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001)摘要:非连续增强钛基复合材料(DＲTMCs)作为轻质、耐热、高强、可变形加工材料的代表在航空航天领域具有广泛的应用前景。新一代超高速飞行器及高推比发动机使DＲTMCs的研究再次受到关注。综述DＲTMCs的制备方法、增强相与基体选择、增强相分布构型设计、后续变形与热处理、力学性能的研究进展，指出研究中存在的问题，并提出未来发展方向。进一步发展应结合应用背景分别制备高弹、高耐磨、高强韧、耐高温等系列具有不同性能特点的DＲTMCs，并制备更耐磨、更抗氧化的梯度表面，以提高其使用寿命。

2、结合3D打印技术开展DＲTMCs微小构件、形状复杂构件的制备以及增强相空间分布状态调控研究。进而采用合理的焊接技术，实现大尺寸、形状复杂、异种材料等构件焊接，从而推动DＲTMCs长远发展。关键词:钛基复合材料;制备方法;构型设计;组织结构;力学性能doi:10.11868/j.issn.1005-5053.2014.4.013中图分类号:TB331;V257文献标识码:A文章编号:1005-5053(2014)04-0126-013非连续增强钛基复合材料(discontinuouslyrein-使用。原位自生的TiB晶须(TiBw)与/或TiC颗粒(TiCp)，被认为是DＲ

3、TMCs的最佳增强相［1，2，6］。为了避免其他因素的影响，研究之初总是首选纯钛作为基体制备钛基复合材料，以优化其他参数及评价其强韧化效果。近年来，随着研究的进一步深入，已经转向以钛合金，特别是高温钛合金与高强钛合金为基体制备钛基复合材料［7，8］。一方面，钛合金本身具有较高的强度水平;另一方面，钛合金作为基体的DＲTMCs，还可以实现后续热处理与热变形强化。然而，由于受传统思维的束缚，即使采用不同制备方法、不同增强相、不同基体，大部分研究者总是追求增强相在基体中呈均匀分布［1～3，7，8］。大量研究结果显示，增强相均匀分布的钛基复合材料仅表现出有限的增强效果及较差的塑性水

4、平，特别是粉末冶金法制备的钛合金基复合材料表现出极大的室温脆性［1～3］，严重制约了DＲTMCs的发展与应用。近期研究表明，改变增强相分布状态，不仅可解决粉末冶金法制备DＲTMCs塑性差的瓶颈温度，还可以进一步提高DＲTMCs的增强效果［9～11］。后续变形与热处理可以进一步改善DＲTMCs力学性能［12，13］。特别是增强相均匀分布的DＲTMCs必须通过后续变形以获得一定的力学性能，而热处理是有效提高钛合金基复合材料强度的有效手段。因此，本工作将从制备方法、增强相与基体选择、增强相分布状态、后续变形与热处理、力学性能方面对DＲTMCs最新进展进行综述，并揭示出目前研究中存

5、在的问题与composites，简称DＲTMCs)与forcedtitaniummatrix传统钛合金相比具有更高的强度、模量、耐磨性、耐热性及服役温度，使用温度较相应基体钛合金提高100～200℃;与传统的耐热钢、镍基高温合金相比具有更低的密度、优异的耐腐蚀性，服役温度较耐热钢高，较镍基高温合金低，有望在500～850℃应用环境中替代钢或镍基高温合金，减重约40%;与连续纤维增强钛基复合材料相比，具有各向同性、制备简单、可变形加工的优势;与TiAl金属间化合物相比，具有更高的室温塑性及可塑性加工优势，理论服役温度稍低［1～4］。因此，DＲTMCs作为“轻质、耐热、高强、可

6、变形加工”材料的代表在航空航天领域具有广泛的应用前景。改善DＲTMCs力学性能的主要方法包括:优化制备方法与工艺参数、选择优异增强相与基体、优化增强相分布状态、后续变形与热处理［1，2，5］。近年来，采用熔铸法或粉末冶金法通过原位反应自生技术制备DＲTMCs，被认为是最佳的制备方法而广泛收稿日期:2014-04-10;修订日期:2014-05-31基金项目:国家863计划项目(2013AA031202);国家自然科学基金资助项目(51101042，51271064);第五届中国博士后特别资助项目(2012T50327)作者简介:黄陆军(1983—)，男，博士，副教授，主要从

7、事钛基复合材料、钛合金的设计、制备及组织与性能演化规律研究，(E-mail)huanglujun@hit．edu．cn。第4期非连续增强钛基复合材料研究进展127提出将来可能的研究方向。体中的Ti与增强相原料之间在烧结过程中发生反应生成增强相，同时进行致密化压制。与其他固-固反应法相比，具有工艺简单，易于操作等优点［6，9，19］。中国科学院金属研究所、中南大学、哈工大、北京理工大学、香港城市大学、美国部分研究机构都采用反应热压法制备各种DＲTMCs，在制备工艺以及复合材料组织与性能演变规律方面取得大量的研究成果［