本发明属于先进结构材料，具体涉及一种具有成分梯度的高强塑钛基复合材料的制备方法。
背景技术：
1、先进高强塑钛合金的发展日益成为我国海陆空等国家重大安全战略和国民经济核心领域的创新发展重大变量。由于各领域对高性能钛合金迫切需求，亟需打破经典位错运动理论导致的金属材料强度和塑/韧性之间固有的倒置关系，探索其增强、增塑的新途径，开发出高性能钛合金结构材料。基于β型钛合金(体心立方)亚稳相和变形方式多样性的特点，以多相变和多变形方式(应力诱发α″马氏体相变、{332}<113>孪生、应力诱发ω相变和位错滑移)相结合的方式，制备出具有多变形方式的超高强度和塑性的新型钛基复合材料。这不但能够满足现实需求，而且还将有助于开拓其在航空、兵器和深海等特殊工程领域中的应用前景。
2、钛基复合材料的强韧化重点是调控其中基体材料(钛合金)的力学性能。上述的多种变形方式依赖于β型钛合金中β相的稳定性，一般用mo当量来定量描述。随着mo当量的增大，β型钛合金在发生塑性变形时将展现出不同的变形方式，依次为应力诱发α″马氏体相变(mo量在9到14之间)，{332}<113>孪生并伴随应力诱发ω相变(mo量在15到23之间)以及位错滑移(mo量大于23)。应力诱发α″马氏体相变和{332}<113>孪生能够使材料具有较高的延伸率和显著的加工硬化效应，但屈服强度不高。应力诱发ω相变和位错滑移能够显著增加材料的屈服强度，但代价是材料的延伸率。因此仅靠单一成分下的某种变形方式难以兼顾材料的强塑性。在材料内部引入多种成分微区，利用多变形方式的协同作用对材料进行增强增塑将成为一种有希望突破其强塑性矛盾的新型材料设计方法。钛合金的制备通常采用熔炼法，该方法能够以较低的成本获得成分和组织均匀的钛合金。但该方法制备的材料成分均匀，组织粗大，不适用于具有梯度成分的钛合金或其复合材料的制备。因此，需要研究一种制备梯度成分高强塑钛基复合材料的新方法。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有成分梯度的高强塑钛基复合材料的制备方法。该方法利用粉末冶金方法将多种mo当量不同的β型钛合金粉末和碳纳米颗粒烧结成块体合金，使烧结出的块体合金具有成分梯度；制备的具有成分梯度的钛基复合材料具有优异的力学性能优异，其抗拉强度在1100mpa到1300mpa之间，延伸率在10％到20％之间，较单一成分的β型钛合金强度提高高达99％，且具有优异的延伸率是一种高强度、高延伸率的复合材料。
2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有成分梯度的高强塑钛基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
3、步骤一、选材：选用多种mo当量不同的β型钛合金粉末为基体材料，选用碳纳米颗粒为增强体的前驱体材料；
4、步骤二、混粉：将步骤一中选用的多种mo当量不同的β型钛合金粉末和碳纳米颗粒放置于球磨机中球磨混匀，得到混合粉末；
5、步骤三、成型：将步骤二中得到的混合粉末进行等离子烧结成型，得到钛基复合材料坯体；
6、步骤四、热处理：将步骤三得到的钛基复合材料坯体进行固溶处理，得到具有成分梯度的高强塑钛基复合材料；所述具有成分梯度的高强塑钛基复合材料的抗拉强度为1100mpa～1300mpa，断后延伸率为10％～20％。
7、本发明利用粉末冶金方法将多种mo当量不同的β型钛合金粉末和碳纳米颗粒烧结成块体合金，使烧结出的块体合金具有成分梯度；
8、本发明通过添加碳纳米颗粒，使其在球磨过程中均匀包覆在基体合金粉末表面，在烧结过程中其与基体钛元素发生原位反应生成tic颗粒，在复合材料内部形成非连续的三维网状结构，tic的引入除了增加强度之外，主要是起到晶粒细化的作用，由于烧结温度较高，钛合金基体晶粒会变大而降低强度，而三维网状结构的tic能够显著阻碍晶界移动，从而抑制晶粒长大；
9、本发明将多种mo当量不同的β型钛合金粉末进行烧结后，在材料内部会形成局部的成分起伏(mo当量起伏)，称之为成分梯度，在应力加载时，高mo当量区域的β相稳定性较高，不但自身没有发生塑性变形而且还限制了低mo当量区域的应力诱发α″马氏体相变和{332}<113>孪生，进而提高了材料的屈服强度，发生塑性变形时，低mo当量区域的相变和孪生以及高mo当量区域的应力诱发ω相变均能够提供额外的塑性变形量，而且应力诱发α″马氏体相变和{332}<113>孪生还能够起到晶粒细化的效果，使材料具有一定的加工硬化效应，进一步增加材料的抗拉强度，因此，具有成分梯度的钛基复合材料能够实现其强度和塑性的同时提高，突破了传统结构材料的强塑性的倒置关系，解决了其强塑性匹配性差的问题。
10、上述的一种具有成分梯度的高强塑钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述多种mo当量不同的β型钛合金粉末为mo当量为9～14的β型钛合金粉末、mo当量为15～23的β型钛合金粉末和mo当量大于23的β型钛合金粉末。本发明中mo当量的三个区间分别对应以下几种变形方式，应力诱发α″马氏体相变、{332}<113>孪生并伴随应力诱发ω相变、位错滑移，将其进行配合提高具有成分梯度的高强塑钛基复合材料的抗拉强度和塑性，通过控制β型钛合金粉末的粒径，较细的基体粉末粒径有利于形成细小的晶粒从而增加强度和塑性，球形粉体流动性好，烧结后致密度高，通过控制碳纳米颗粒的粒径，纳米级的碳纳米颗粒有利于均匀地附着在基体粉末表面，且形成的tic颗粒细小且不团聚。
11、上述的一种具有成分梯度的高强塑钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述混合粉末中mo当量为9～14的β型钛合金粉末、mo当量为15～23的β型钛合金粉末和mo当量大于23的β型钛合金粉末的质量比为1:1:(1～3)，所述混合粉末中碳纳米颗粒的质量含量为0.3％～0.5％。本发明中材料内部高mo当量的区域的占比是保证强度的关键，占比过低会使应力诱发α″马氏体相变和{332}<113>孪生优先发生而降低强度，占比过高则会使低mo当量区域失去作用而恶化材料的延伸率，增强体材料的粉末的质量含量为0.3％～0.5％，含量过低会有利于晶界运动，导致晶粒长大降低力学性能，含量过高则会形成连续三维网状结构，严重降低材料基体的连通性，阻碍塑性变形，导致材料提前断裂，降低延伸率。
12、上述的一种具有成分梯度的高强塑钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述球磨的转速为180rpm～250rpm。本发明通过控制球磨的参数球磨能力较低，在保证粉末混合均匀的前提下，还能够是粉末保持较好的球形度，有利于提高烧结后材料的致密度，转速、球料比或球磨时间过低，会使粉末混合不均匀，前驱体粉末发生团聚，严重影响烧结后材料力学性能，转速、球料比或球磨时间过高，则会严重破坏粉末的球形度，降低材料的致密度和力学性能。
13、上述的一种具有成分梯度的高强塑钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤四中所述固溶处理的温度为900℃～1100℃，冷却方式为水冷。本发明中由于放电等离子烧结的冷却速度较低，材料内部会不可避免地形成α相，为得到过饱和的β相，需要在β相变点之上进行固溶处理，根据成分不同，β相变点在800℃到900℃之间，因此选择在900℃到1100℃之间下进行固溶处理，固溶理温度过高会使复合材料内部晶粒严重长大，显著降低材料的强度。
14、本发明与现有技术相比具有以下优点：
15、1、本发明利用粉末冶金方法将多种mo当量不同的β型钛合金粉末和碳纳米颗粒烧结成块体合金，使烧结出的块体合金具有成分梯度，制备的具有成分梯度的钛基复合材料具有优异的力学性能，其抗拉强度在1100mpa到1300mpa之间，延伸率在10％到20％之间，较单一成分的β型钛合金强度提高高达99％，且具有优异的延伸率是一种高强度、高延伸率的复合材料。
16、2、本发明利用粉末冶金方法，添加不同成分的合金粉末构造成分梯度，制备方法简易，成本较低，得到的复合材料结构和力学性能可控。
17、3、本发明选用的不同成分的β型钛合金粉末均可采用最常见的工业化制备方法—旋转电极法制备，该方法制备的合金粉末中碳、氢、氮杂质含量均低于10ppm，氧含量低于100ppm，有利于提高钛合金复合材料的质量，且来源广，成本低；同时，选用的碳纳米颗粒价格较低，易于获得。
18、4、本发明的制备工艺成本低、应用范围广，易于实现，且整个制备过程耗时短，能耗低，适用于工业化大批量生产。
19、下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。