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钛基复合材料的性能、制备及应用
摘要 钛拥有比其他任何结构材料更高的比强度，并且钛在中温是能比铝合金更好的保持强度。所以广泛应用在航天航空领域。如何降低制备成本成为钛基复合材料走向广泛市场应用的关键之一。，颗粒增强钛基复合材料由于具有各向同性、制备较简单、易加工成型、成本较低等特点，受到人们的关注，成为新的研究热点。
关键词 钛基复合材料，颗粒增强，制备技术
1.前言
钛基复合材料是复合材料中运用的较多的一种。它的主要热点是高的比强度，比硬度，并且可以抗高温。主要运用于超高音速飞机盒下一代的先进航空发动机。由于航空航天技术对于轻量化和耐热性的需要，钛基复合材料从80年代开始就是材料科学的研究热点。我国钛资源丰富，钛基复合材料虽已得道应用但研究仍然处于起步阶段。
2.钛基符合材料的性能
钛拥有比其他任何结构材料更高的比强度，并且钛在中温是能比铝合金更好的保持强度。除了高强耐热，钛合金还具有两个优点。1钛合金的热膨胀系数比其他绝大多数结构材料小。2再制造复合材料时，非纵轴的增强物的用量就可以减弱集体的需要量。这也导致了钛合金备受关注。
钛合金的主要优点就是具有高的热强性，在300摄氏度以上就有特别的突出，针对高温钛合金应达到以下综合性能要求。
在工作温度范围内，合金需要有较高的瞬时和持久强度。室温拉伸强度应大于100千克牛每平方毫米，400摄氏度，100小时持久强度应达到75千克牛每平方毫米，500摄氏度，100小时小时持久强度应达到65千克牛每平方毫米。
室温下需要具有较好的塑性，延伸率大于10%，断面收缩率大于30%，冲击韧性大于3千克牛米每平方厘米。
需要具有良好的热稳定性，合金在高温和应力的长时间作用下能保持自身的塑性，至少在20到500摄氏度的任何温度下保持100小时不发生脆化，最好是在整个工作寿命里都不发生脆化
在室温和高温下都需要具有高的疲劳性能。光滑式样的室温疲劳极限不应低于拉伸强度的45%，在400摄氏度不应低于该温度下拉伸强度的50%，疲劳性能对于受震动载荷的零件，例如压气机转子叶片，这点就特别重要。
高的抗蠕变技能。至少在400摄氏度和50千克牛每平方毫米应力下，100小时后的残余变形不能超过0.2%。对于在工作过程中承受大的拉应力的零件，如压气机转子盘件，抗蠕变性能就显得更为重要。
钛基复合材料正式因为具有上诉特别优异的性能才在航天航空事业中起到举足轻重的作用。钛合金是当代战机的主要结构材料之一，例如，第三代F—15战斗机中钛合金用量占27%，钛基复合材料可代替300M钢用于飞机起落架。美国战斗机中F|A—22使用了最多的钛合金和钛基复合材料，钛合金占了36%。
3．颗粒增强钛基复合材料
钛基复合材料发展很快，但作为一种昂贵的新型材料，尚处于发展之中。如何降低制备成本成为钛基复合材料走向广泛市场应用的关键之一。连续纤维增强钛基复合材料虽然在航天航空领域显示出它巨大的应用潜力，但因其昂贵而复杂的制备过程以及性能上的各向异性，使它难以推广应用。与之相比，颗粒增强钛基复合材料由于具有各向同性、制备较简单、易加工成型、成本较低等特点，受到人们的关注，成为新的研究热点。
发展颗粒增强钛基复合材料，首先应对基体相和颗粒增强相有正确的选择。复合材料设计中很重要的一点是要保证基体和强化相之间有很好的化学和力学相容性。也就是要防止基体和增强相之间发生化学反应。因为反应使得增强相退化，降低强化效果，同时由于反应引起的局部体积变化和反应生成的脆性相而严重影响复合材料的强度。除此之外，基体和增强相的热膨胀系数如相差较大，当增强相的热膨胀系数大于基体时，会在界面上形成拉应力，容易在界面上形成裂纹，最终导致材料的破坏。
颗粒增强钛基复合材料的基体主要有α-Ti、β-Ti和(α+β)-Ti，其中α-Ti弹性模量小，在成形加工回弹大，冷加工性能较差；β-Ti在高温下原子扩散系数较大，合金的抗高温蠕变性能下降。在钛合金中，由于Ti-6Al-4V有很高的强度、高的断裂韧性以及良好的高温加工性能，因此是一种较好的基体材料，而且基体的热膨胀系数可以通过添加适当的合金元素进行调整。目前，Ti-6Al-4V被认为是钛基复合材料较为合适的基体材料。
增强相的选择对于复合材料的性能非常重要。颗粒增强钛基复合材料中颗粒增强相的体积分数一般在5%~20%。增强相的主要作用是提高材料的耐磨性能、硬度、高温性能和抗蠕变性能，所用的增强相通常是一些高熔点、高硬度、高耐磨性的金属陶瓷、金属间化合物和氧化物。理想的增强相应具有2个条件，第一，刚性、强度、硬度等物理或力学性能优良；第二，高温稳定性好，与钛合金基体的热膨胀系数差别小。
通过长期的研究，人们认为对于钛基复合材料较为理想的颗粒增强相主要有以下几种：SiC，TiC，B4C，Ti2B，TiB和ZrB2等。对各种增强相的对比研究表明，硬度由大到小的顺序为TiB,CrB>B4C>SiC>Ti5Si3；残余应力由大到小的顺序为CrB>SiC>B4C>Ti5Si3>TiB；与钛结合的化学稳定性由大到小的顺序为TiB>Ti5Si3>CrB>B4C>SiC，由此可见，TiB是一种较为理想的钛基增强相。
复合材料的强化效果取决于将应力从基体转移到高强度增强相的能力。因此获得一个强的基体/增强相的结合界面十分重要。多数资料报道TiB和TiB2在钛合金中很稳定，颗粒与钛合金基体间不发生反应，属于非反应体系。TiC与钛合金基体间存在一定程度的界面反应，但反应较简单。Ti2B作为颗粒增强相，由于与钛完全相容而引人注目，但是近年来的一些研究发现Ti2B会和Ti发生反应生成TiB。TiB2在TiAl基体中稳定性最好。
4.颗粒增强钛基复合材料的制备技术
4.1粉末冶金法
粉末冶金法是将颗粒与金属粉充分混合后冷压成型，真空加热到固液两相区内热压，将热压后坯料进行热挤压或冷轧制成零部件。粉末冶金法有三个步骤：粉末混合、压实和烧结。肖永亮等用粉末冶金法制备了纳米SiC颗粒增强铝基复合材料，经实验发现，材料的组织均匀而且细小。粉末冶金法的优点是不存在界面反应，可以制备出大体积分数的复合材料，任何合金都可以作为基体材料，允许使用几乎所有种类的增强相；增强颗粒分布均匀，质量稳定。董树荣等[8]用粉末冶金法制备了纳米碳管增强铜基复合材料，纳米碳管体积分数显著影响复合材料的综合性能，纳米碳管含量在12vol%左右时．复合材料的致密度和硬度达到较好的综合值。但是粉末冶金法也存在一些问题,如成本高，一般需要二次成型；工艺程序复杂，植被周期长；粉末在球磨过程中形状受到限制等问题。
4.2搅拌铸造法
该方法是将增强体加入到基体金属液中，通过高速旋转的搅拌器使液相和固相混合均匀，然后浇入到铸型中。这种方法的关键是将增强体均匀分布于基体中，并且是基体和增强相之间有良好的界面结合，搅拌铸造法可分为液相搅拌法和液固两相搅拌法。搅拌铸造法有很多优点，如：成本低，便于一次形成复杂工件，所需设备相对简单，能够适应批量生产。但是仍存在一些问题，如在搅拌过程中陶瓷颗粒的偏聚问题，陶瓷颗粒在液体中分布的均匀性问题、界面反应问题等。另外，非真空搅拌铸造时，在搅拌的过程中容易引入气体，致使产品内部产生气孔。同时利用这种方法制取金属基复合材料时，颗粒增强相的体积分数会受到限制。
4.3挤压铸造法
挤压铸造法首先是将增强体做成预制块，放入模具，再浇入基体合金熔液，随后加压，使基体熔液渗入预制块成锭。崔岩等用挤压铸造法制备出45vol%-50vol%的性能优异的SiCP/A1复台材料。热物理性能数据与理论预测的一致说明材料是均匀的，无明显缺陷存在。
SiC-Al界面有良好的结合，界面能够起到有效传载的作用，很好地约束Al基体的嘭胀，且界面热阻较小，结合十分紧密。挤压铸造法可制备出形状和最终制品相同或相似的产品；液态金属浸渗的时间短，冷却速度快，可降低乃至消除颗粒界面反应；增强相的体积分数在较大范围内可调。但是挤压铸造不易制备形状复杂的制件，当浸渗压力很大时，对模具和所制件的完整性有很大的影响。
4.4高能超声复合法
采用高能超声制备金属基复合材料，能在极短的时间内使增强相在基体中达到较好的分散，并兼具除气，除渣的作用。超声能引起固液界面能的变化导致润湿性的改善，声空化泡崩溃时产生的强烈冲击波使团聚物分散开，同时在具有较高速度和加速度的声流效应的协同作用下，高能超声可使增强体在基体金属中均匀弥散分布。在超声波的作用下，熔体粘度的下降，使气泡上浮除气，进而降低复合材料制品中的气孔率，改善材料的力学性能。潘蕾等[12]利用高能超声复合法制备了SiCP／ZA27复合材料(其中SiC颗粒的最小粒径可达0.5μm)。对其进行力学测试结果表明．随颗粒尺寸和含量的增加，复合材料的抗拉强度和弹性模量有所提高,但颗粒含量对力学性能的影响远比粒径显著。
4.5喷射沉积法
喷射沉积法是使金属熔体和陶瓷增强相颗粒在雾化器内混合，然后被雾化喷射到水冷的基体上成型。通过喷射沉积技术制取金属基复合材料，金属熔滴和陶瓷增强相颗粒接触的时间极短，有效地控制了界面化学反应。控制工艺气氛也可最大限度的控制氧化反应的发生。喷射沉积法应用范围广，几乎可以适用任何基体和陶瓷颗粒增强相。陈振华等采用多层喷射共沉积工艺制备了6066铝合金/15%SiC颗粒复合材料，得到了增强颗粒分布均匀、增强颗粒与基体界面洁净、基体冷凝速度高的沉积坯，沉积坯经挤压后进行了T6处理，其力学性能为 σb=640MPa，σ0.2=510MPa，E=133GPa，δ=9.4%。
4.6原位复合法
在金属基复合材料的制备过程中，增强体与金属基体之间的相容性，即增强体与金属基体的润湿性是需要解决的问题。同时，增强体与金属基体之间都存在界面反应，它也影响到金属基复合材料在高温制备时和高温应用时的性能和稳定性。如果增强体(颗粒、纳米颗粒、晶须等)能从金属基体中直接(即原位)生成，则上述相容性问题就可得到明显改善。原位生成的增强体与金属基体界面能有良好的结合，生产相的热力学稳定性好，增强体与金属基体之间的润湿和界面反应也得到很好解决，这种制备方法就是原位复合法。原位复合法工艺也有缺点，工艺过程较难掌握，增强相的成分和体积分数不易控制。
目前报道的原位合成技术主要有：原位热压技术、XD技术、CVD技术、DIMOX技术和熔体浸渍技术和反应结合技术及SHS技术等。
5.钛基复合材料展望
金属基复合材料发展至今，一直存在着两个重要问题，就是有害的界面反应和颗粒的偏聚问题，这两个问题给复合材料的制备带来很多不利，人们一直在努力寻求解决这两类问题的办法。选择合适的制备工艺可在一定程度上控制有害的界面反应和偏聚问题。
钛基复合材料材料的性能非常优秀，但是钛作为一种贵重金属，成本是钛基复合材料必须要仔细考虑的问题。比如在制备方法上，应当发展比成本的制备工艺，以便与在民用工业上推广。燃烧合成法，熔铸法是低成本的制备方法，将会得到更为广泛的应用。另外在设计方面，我们需更加侧重于集体材料的合理设计，自生钛基复合材料的增强相以颗粒状存在时增强效果最好。
目前金属基复合材料还处于研究阶段，由于成本原因暂时只应用在航天军工方面，大批量工业生产还做不到。其优异的力学性能、热性能会吸引人们不断的探索研究具有优异性能且价的金属基复合材料及制备工艺。
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