)/Ti复合材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及层状钛基复合材料的制备方法，具体涉及一种采用粉末冶金制备层状结构T1-(TiB+La203)/Ti复合材料的方法。
【背景技术】
[0002]钛及钛合金密度小、比强度高、耐高温耐腐蚀性好，广泛运用于航空航天、船舶、医疗、体育器械、化工能源等领域。当钛合金材料发展到接近某种性能的极限时，单纯依靠改变固溶元素就很难在性能上有质的提高，此时可以选择通过向合金中添加增强体来获得更高的性能。自从上世纪70年代以来，国内外纷纷开展了众多关于钛基复合材料的研宄，根据增强体种类不同主要分为连续纤维增强钛基复合材料和颗粒增强复合材料。其中纤维增强钛基复合材料由于工艺复杂、成本过高、界面反应等因素的制约限制了其研宄和应用。颗粒增强钛基复合材料又分为外加增强体颗粒和原位反应生成两种，其中原位反应合成方法能够避免引入污染以及界面反应同时保证基体与增强体的良好结合。目前的原位反应合成方法主要有:高温自蔓延合成法、放热扩散法、熔铸法、快速凝固法和粉末冶金法。研宄表明原位合成增强体的引入，有利于提高复合材料的强度、模量、耐磨性等力学性能。但是随着钛基体中增强体含量的增加，虽然钛基复合材料强度和刚度显著提高，但同时会导致韧性和损伤容限的大幅降低，直到呈现整体脆性而使应用受到限制，这也成为限制钛基复合材料应用的主要瓶颈。
[0003]纵观自然界中，经过自然选择、优胜劣汰等自然选择，多种生物选择了最适合自己生存的材料来构建自己的身体，如竹子、贝壳等，这些天然生物材料往往具有优异的性能。随着对生物材料的研宄不断深入，人们开始逐渐意识到这种具有优异性能的生物材料对现代材料的制备具有借鉴和启发作用，于是产生了材料科学新的研宄领域一一仿生材料。其中，贝壳类生物中的珍珠层因具有杰出的力学性能而备受关注。受大自然中贝壳精细的层片状结构启发，Clegg进行了结构仿生设计，首先模拟这种层片状结构制备了高韧性、大断裂功的层片状陶瓷复合材料，成果在Nature上发表后，迅速成为近10年陶瓷材料的研宄热点之一。西北工业大学的Liuyi Xiang等研宄发现在HfC-SiC陶瓷中引入较弱的BN层可以显著提高断裂韧性，原因包含裂纹分叉、偏转、分层等多种增韧机制。上海交通大学的LinJiang等采用一种薄片粉末冶金方法制备了 A1203/A1和CNTs/Al层状复合材料，研宄发现高度有序的层状结构可以容纳更多的位错和CNTs，获得高的强度和韧性。哈尔滨工业大学的B.X.Liu等采用反应热压和扩散焊制备了 TiBw/Ti层状复合材料，研宄发现纯钛层与复合材料层协同作用下层状钛基复合材料可以获得较高的塑韧性。
[0004]目前层状钛基复合材料的常用制备工艺有:乳制复合、热压烧结、扩散焊接、热喷涂、表面堆焊、电化学沉积和自耗电弧熔炼法等多种方法。但是制备过程中难以避免在界面处引入缺陷，层间结合较弱，导致层状材料受载时裂纹很容易沿着层间界面迅速扩展最终导致综合力学性能较差，难以有效实现层状结构的强韧化效果。本发明借鉴自然界中贝壳层状结构进行构型设计，并采用粉末冶金和高温热轧制备层状钛基复合材料，通过高强复合层和高韧纯钛层的协同作用实现强韧性的良好匹配，达到改善传统非连续颗粒增强钛基复合材料韧性的目的，获得具备优良综合性能的层状钛基复合材料。
【发明内容】
[0005]本发明为解决现有非连续颗粒增强钛基复合材料韧性较差以及层状钛基复合材料层间结合较弱的技术问题，而提供一种采用粉末冶金制备层状结构Ti_(TiB+La203)/Ti复合材料的方法。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了一种制备层状结构T1-(TiB+La203)/Ti复合材料的方法，该方法包括如下步骤:
[0007]按照增强体的体积分数折算出制备增强体所需的Ti粉和LaB6粉的质量，并称取Ti粉和LaBf^v，具体是根据两者高温下的原位反应式12Ti+2LaB6+3[0] = 12TiB+La203计算最终增强体体积分数分别为5 %、10 %、15 %时Ti粉和LaB6粉的比例，根据计算结果称取所需的Ti粉和1^136粉；
[0008]将所述Ti粉和LaB6粉混合进行球磨后，采用转速为150r/min旋转搅拌机混合15min，得到混合粉体；
[0009]另取Ti粉，将所述钛粉和混合粉体在模具中交替叠层铺设后，在50?100T的压力下进行冷压成型I?3min，得到层状结构预制体；
[0010]将所述层状结构预制体在10_3Pa的真空度下，以10?20°C /min的速率匀速升温至1200?1300°C，保温I?4h后随炉冷却取出，获得层状结构T1-(TiB+La203)/Ti复合材料。
[0011]作为优选方案，该方法还包括如下步骤:将所述层状钛基复合材料在1000?1100°C下进行多道次热轧。
[0012]作为优选方案，所述Ti粉和LaBf^v的粒径分别为100 μ m和50 μ m。
[0013]作为优选方案，所述球磨的条件是:以玛瑙球为磨球，球料比为(I?5):1。
[0014]作为优选方案，所述增强体在T1-(TiB+La203)/Ti复合材料中的体积分数为5%、10%或 15%。
[0015]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0016]本发明利用Ti和1^86在1300°C高温下的原位反应获得层状钛基复合材料中的(TiB+La203)/Ti复合材料强化层，即增强体，同时利用Ti粉在1300°C高温下的致密化烧结，获得具有较高致密度的层状钛基复合材料，而且LaB6的原位反应可以吸氧，能够降低层状钛基复合材料的氧含量，进一步改善性能。
[0017]本发明采用多道次高温热轧进一步提高层状结构T1-(TiB+La203)/Ti复合材料的相对密度，细化晶粒并改善增强体分布，同时显著减小层厚，借助尺寸效应进一步提高综合性能。
[0018]本发明的层状钛基复合材料的(TiB+La203)/Ti复合材料层、Ti层和界面区域初始状态均是粉末，在同一条件下烧结后三个区域能够具备一致的相对密度，所以本发明制备的层状钛基复合材料界面区域不再是结合不良的缺陷区域，而是(TiB+La203)/Ti复合材料层和Ti层之间的均匀过渡层。
[0019]本发明可以通过调整(TiB+La203)/Ti复合材料层增强体含量、(TiB+La203)/Ti复合材料层厚度、纯钛层厚度以及两者的层厚比，来调整层状钛基复合材料的强韧化效果，获得具有不同力学性能的层状材料。
[0020]本发明制备的层状结构T1-(TiB+La203)/Ti复合材料相比于单纯的纯钛材料和颗粒增强钛基复合材料，(TiB+La203)/Ti层中增强体的存在可以明显细化晶粒，同时能够承受高载荷并对裂纹偏转，延迟纯钛层的颈缩，提高均匀塑性变形能力，而纯钛层的大量塑性变形可以钝化裂纹改善复合材料的脆性断裂模式，使其整体表现出良好的强韧化效果。
【附图说明】
[0021]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0022]图1是试验I制备的层状T1-(TiB+La203)/Ti复合材料；其中Ia为截面宏观体式显微镜照片，Ib为Ti层，Ic为(TiB+La203)/Ti复合材料层，Id为界面区域，Ie为高倍下增强体形貌；
[0023]图2为试验I制备的增强体体积分数5%的(TiB+La203)/Ti复合材料对比试样照片；其中2a为体式显微镜照片，2b为扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0024]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来