鈦基復(fù)合材料可分為連續(xù)纖維增強鈦基復(fù)合材料和顆粒增強鈦基復(fù)合材料。纖維增強鈦基復(fù)合材料由于制備成本高,工藝復(fù)雜,成形困難,使其發(fā)展及應(yīng)用受到限制。與之相比,顆粒增強鈦基復(fù)合材料具有各向同性的性質(zhì),并且制備成本較低,制造方法簡單,易于制造形狀復(fù)雜的零件,因此具有更為廣泛的市場應(yīng)用前景。顆粒增強鈦基復(fù)合材料的主要制備方法有熔鑄法和粉末冶金法。熔鑄法最主要的缺點是所制備的合金容易出現(xiàn)成分、組織偏析和晶粒粗大。粉末冶金是一種近凈成形工藝,材料利用率高,可以消除組織和成分偏析,而且顆粒增強相的粒度和體積分數(shù)可以在較大的范圍內(nèi)進行調(diào)整,通過合理選擇制備工藝能夠制備出高性能、低成本的鈦基復(fù)合材料。為此,粉末冶金技術(shù)在實現(xiàn)顆粒復(fù)合時具有明顯的優(yōu)勢。.
傳統(tǒng)的粉末冶金工藝制備鈦基復(fù)合材料是將陶瓷粉末和金屬粉末進行混合,然后進行冷等靜壓制加真空燒結(jié),或者直接進行熱等靜壓,這些工藝的主要缺點是即使在高溫下,熱動力學穩(wěn)定的陶瓷增強相很難與鈦合金基體形成良好的化學和冶金結(jié)合,因而所制備的復(fù)合材料綜合力學性能達不到要求。
近年來迅速發(fā)展起來的原位合成法因其工藝簡單、合成的材料性能優(yōu)異,在技術(shù)上和經(jīng)濟上可行,故已經(jīng)引起人們的廣泛興趣。與傳統(tǒng)的制備工藝相比,原位合成的主要優(yōu)點是,增強相是在材料制備的過程中通過原料之間發(fā)生化學反應(yīng)合成的,因而增強相和基體之間的界面上沒有雜質(zhì)存在;而且由于增強相和基體之間的熱膨脹系數(shù)不同所引起的內(nèi)應(yīng)力可以通過基體的塑性變形得到釋放,或者通過在基體中添加合適的合金元素使得基體和增強相之間的熱膨脹系數(shù)得到很好的匹配。
因此,顆粒增強鈦基復(fù)合材料粉末冶金制備法的發(fā)展方向是與原位合成方法結(jié)合起來。目前綜合粉末冶金與原位合成雙重優(yōu)勢的粉末冶金原位合成法制備顆粒增強鈦基復(fù)合材料的工藝已成為研究重點,受到研究者們的廣泛重視。
日本Toyota公司將Ti粉、B粉及合金粉混合均勻,然后經(jīng)過成形、燒結(jié)、熱等靜壓制成鈦基復(fù)合材料(TiB/Ti-6Al-4Sn-4Zr-1Nb-1Mo-0.2Si)。利用加入的B粉與Ti粉發(fā)生反應(yīng)生成增強顆粒TiB。該復(fù)合材料的拉伸性能、疲勞性能及蠕變性能優(yōu)越,均可以與21-4N鋼相媲美。該材料在1998年成功地用于豐田跑車系列發(fā)動機的閥門。另有工作報道,經(jīng)熱等靜壓燒結(jié)壓實的Ti粉和TiB2粉發(fā)生化學反應(yīng)合成針狀的TiB,隨機分布在鈦基體中成為增強相。用此方法可以制備不同體積分數(shù)TiB顆粒增強的鈦基復(fù)合材料。由于不存在界面反應(yīng),復(fù)合材料界面結(jié)合良好,表現(xiàn)出較好的高溫穩(wěn)定性。(一員)