钛基复合材料的性能特点及应用

金属基复合材料的发展现状与应用前景金属基复合材料( M MCs) 问世至今已有30 余年。

M MCs 的耐温性较高, 力学性能( 特别是刚度) 比一般金属的好, 此外它还具有导电性以及在高真空条件下不释放小分子的特点, 克服了树脂基复合材料在航宇领域中使用时存在的缺点, 因此受到航空航天部门的青睐。

然而, 尽管MM Cs 在航天飞机以及其他一些尖端技术中已经获得应用, 但用量很小, 不足以推动其发展。

近年来虽然努力在民用领域寻找机遇, 但终因成本偏高而缺乏与金属等其他传统材料竞争的优势。

因此发展MM Cs 的出路在于寻找降低成本的措施, 同时也要探索能充分发挥其特色的应用领域。

鉴于复合材料的成型工艺占其成本的60% ~ 70% , 所以研究发展高效、省时、低能耗、设备简单、能实现近似无余量成型的工艺方法是当务之急。

1、金属基复合材料制备技术1.1各种制备方法简评MMCs 通常按增强体的形式分类, 如连续纤维增强、短纤维或晶须增强、颗粒增强以及片层叠合等。

由于连续纤维增强的MM Cs 必须先制成复合丝或复合片等先驱体, 工艺复杂而成本高, 因此除了极少量有特殊要求的零件(如航天飞机的结构梁)采用外,目前尚看不到有扩大应用的可能性。

本文着重叙述的是颗粒、短纤维或晶须等非连续增强体的MM Cs, 其中, 颗粒增强的M MCs 已具备批量生产条件, 有良好的发展前景。

迄今, 已开发出不少非连续增强体MMCs的制备方法,见表1在表 1 列出的各种制备方法中, 搅拌混合法和挤压铸造法比较成熟,已具备批量生产的条件。

对搅拌混合法工艺已完成了大量研究工作,其中包括对增强体进行表面处理,以改善其与基体金属的浸润性;调整基体合金元素以减轻界面反应对MMCs性能的影响;在设备方面则改进了搅拌桨的形式以改善增强体分布的均匀性,此外,研究了增强体的加入机构,为降低气孔率还制作了施加负压的装置;在工艺条件上则研究了搅拌速度和金属熔体温度对混合均匀度和产生气泡的影响。

复合材料学报第27卷　第2期 4月　2010年A ct a M ateri ae C om p o sit ae Sini c aVol 127No 12April2010文章编号:100023851(2010)022*******收稿日期:2009204213;收修改稿日期:2009211212基金项目:吉林省科技发展计划项目(20090519)通讯作者:张　驰,博士,副教授,主要研究方向为塑性加工及自动化　E 2mail :yueying @TiB 2颗粒增强钛基复合材料抗氧化性能李月英,彭丽华,张　驰3,曹占义,刘勇兵(吉林大学汽车材料教育部重点实验室,长春130025)摘　要:　采用粉末冶金法制备了TiB 2/Ti 颗粒增强钛基复合材料,研究了不同烧结温度(800、900、1000和1100℃)TiB 2/Ti 复合材料在600、700、800和900℃空气中的恒温氧化行为,分析了TiB 2对钛基复合材料氧化动力学行为的影响,并对氧化层表面的相组成、形貌以及氧化层剖面的显微结构进行了分析。

结果表明:该复合材料的氧化层表面的氧化产物主要为金红石型TiO 2,此外还有Fe 2O 3、Al 2O 3和B 2O 3,未发现其它类型钛的氧化物;TiB 2/Ti 复合材料800℃恒温空气中氧化的氧化动力学曲线初始阶段氧化速度较快,随着氧化时间的延长,形成的氧化膜减慢了氧化的速度;随着增强体TiB 2体积分数的增加和烧结温度的提高,复合材料的抗氧化性能提高,这主要是由于提高烧结温度和提高增强体TiB 2的体积分数均有利于氧化层的致密度提高,从而提高了材料的抗氧化性能。

关键词:　钛基复合材料;TiB 2颗粒;抗氧化性;氧化动力学中图分类号:　TB331 文献标志码:AOxidation properties of TiB 2/Ti compositesL I Yueying ,PEN G Lihua ,ZHAN G Chi 3,CAO Zhanyi ,L IU Y ongbing(Key Laboratory of Automobile Materials (Ministry of Education ),Jilin University ,Changchun 130025,China )Abstract :　TiB 2/Ti composites were fabricated by powder metallurgy.The isothermal oxidation behavior of TiB 2/Ti composites sintered at different temperatures (800,900,1000and 1100℃)at 600,700,800and 900℃in air were investigated.The reaction products in the oxidation layer were examined by XRD.The surface morphology and cross 2sectional microstructure of the oxidation layer were analyzed by SEM.The results show that an oxidation layer mainly consists of rutile 2TiO 2,Fe 2O 3,Al 2O 3and B 2O 3.No other Ti oxides are observed within the oxidation layer.Oxidation kinetics curves of TiB 2/Ti composites at 800℃in air show that the oxidation speed is rapid at the beginning of oxidation ,but with the increase of oxidation time the oxidation speed becomes slow due to the formation of an oxidation film.With the increase of volume f raction of TiB 2reinforcements and sintering temperature ,the oxidation resistance of TiB 2/Ti composites can be increased.It is attributed to the formation of the thin and dense oxidation film.K eyw ords :　titanium matrix composite ;TiB 2particles ;oxidation resistance ;oxidation kinetics 钛基复合材料(TMCs )具有比钛合金更高的比强度和比模量,具有极佳的耐疲劳和抗蠕变性能,并克服了原钛合金耐磨性及高温性能差等缺点,已成为超高音速宇航飞行器和下一代先进航空发动机的候选材料,并可以作为高温、高压、酸、碱、盐等条件下的结构材料[125]。

文章编号： 1009 − 444X （2021）01 − 0033 − 04石墨烯增强钛基复合材料的研究进展万召梅 ，李九霄 ，侯书洛 ，杨冬野（上海工程技术大学 材料工程学院，上海 201620）摘要：石墨烯作为增强相添加到钛基复合材料中能提高其各项性能. 通过对文献的梳理，介绍石墨烯增强钛基复合材料的制备方法及相关性能，并概述界面结构和增强机理的研究，最后对石墨烯增强钛基复合材料的未来发展趋势进行展望.关键词：石墨烯；钛基复合材料；力学性能；强化机理中图分类号： TB 331 文献标志码： AResearch Progress of Graphene ReinforcedTitanium Matrix CompositesWAN Zhaomei ，LI Jiuxiao ，HOU Shuluo ，YANG Dongye（ School of Materials Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China ）Abstract ：Graphene can improve the properties of titanium matrix composites by adding graphene as reinforcement phase. Through the literature review, the preparation methods and related properties of graphene reinforced titanium matrix composites were introduced, and researches on interface structure and reinforcement mechanism were summarized. Finally, the future development trend of graphene reinforced titanium matrix composites was prospected.Key words ：graphene ；titanium matrix composites ；mechanical properties ；strengthening mechanism石墨烯自报道以来便受到广大科研工作者的青睐.石墨烯的强度和模量分别可达125 GPa 和1 100 GPa ，约为钢材的100倍，并且具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性[1]. 与传统的颗粒纤维增强体相比，石墨烯凭借其特殊的结构成为金属基复合材料的理想增强体. 石墨烯作为增强体最早被引入铝基复合材料[2]，其后，关于石墨烯增强铜基、镁基、铁基等复合材料的研究都有报道.钛及其合金具有密度小、强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、汽车、医学等领域[3]. 钛基复合材料兼具各组分材料的优点，且拥有单一钛合金无法具有的优越性能. 以石墨烯作为增强相的新型钛基复合材料具有更优良的力学性能、耐腐蚀性和耐磨性等，为航空航天产品带来了可观的经济效益[4]. 本文在梳理文献的基础上，介绍了石墨烯增强钛基复合材料的制备、界面结构、性能和增强机制等的研究进展，并对未来研究方向进行展望.1 石墨烯增强钛基复合材料的制备石墨烯增强金属基复合材料的制备方法主要收稿日期： 2020 − 04 − 23作者简介： 万召梅（1995 − ），女，在读硕士，研究方向为模具. E-mail ：*********************通信作者： 李九霄（1978 − ），女，讲师，博士，研究方向为模具. E-mail ：*****************第 35 卷 第 1 期上 海 工 程 技 术 大 学 学 报Vol. 35 No. 12021 年 3 月JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY OF ENGINEERING SCIENCEMar. 2021包括熔炼锻造法、粉末冶金法、化学合成法和电沉积法等[5]. 孙峰等[6]采用粉末冶金法两种方法分别制备了石墨烯增强钛基复合材料并对其性能进行对比研究，实验结果表明粉末冶金法制备的复合材料的强度略高于熔炼锻造法. 目前，研究者多采用粉末冶金法制备石墨烯增强钛基复合材料，本文主要围绕粉末冶金法制备石墨烯增强钛基复合材料进行综述.1.1 复合材料的混粉工艺粉末冶金法制备石墨烯增强钛基复合材料的主要工艺为粉末混合工艺和后续成型工艺. 粉末混合工艺主要采用球磨法和机械搅拌法，这两种方法都能简单有效的混合粉末，但影响这两种工艺的因素较多，如球磨时的球料比、球磨速度和球磨时间等；搅拌时的搅拌速度、搅拌时间等. 粉末混合工艺很难统一，使得实验的重现性差，不利于研究成果的推广和使用. 苏颖等[7]通过球磨法制得石墨烯和钛合金的混合粉末，球料比为2，球磨时间为2.5 h. Mu等[8]将酒精与钛粉混合搅拌，再加入石墨烯与之混合，以400 r/min的速度球磨2.5 h 后得到混合粉末. 陈航等[9 − 10]将超声分散的氧化石墨烯溶液和钛合金混合搅拌，干燥制得复合粉. Zhou等[11]将超声分散的石墨烯与钛合金粉末在氩气V型粉末混合机中混合得到石墨烯/钛合金混合粉末.1.2 复合材料的成型烧结工艺复合材料的成型烧结工艺包括放电等离子烧结、热压烧结、真空烧结、微波烧结、激光烧结等.放电等离子烧结是一种新兴工艺，具有简单高效的特点；热压烧结由于烧结过程中同时加热加压，可以缩短烧结时间，但对烧结过程控制的要求比较高，生产成本高；真空烧结能提高致密度，但工作效率不高；微波烧结加热快，能制备细小的晶粒，但难以对材料的中大区域进行零梯度加热；激光烧结具有高速低成本的优点，但对材料尺寸厚度有要求.王伟等[12]在压力为50 MPa，温度为1 200 ℃，保温60 min的条件下利用放电等离子烧结工艺制备出致密性好、石墨烯均匀分散的石墨烯增强钛基复合材料，说明放电等离子烧结是制备石墨烯增强钛基复合材料的有效烧结工艺. Cao等[13]将石墨烯增强Ti6Al4V的复合材料在700 ℃、150 MPa 的条件下热等静压2 h，结合等温锻造和退火处理，在延展性不降低的基础上，制备出强度显著提高的石墨烯增强Ti6Al4V复合材料. Liu等[14]将石墨烯增强纯钛的复合粉置于50 MPa、1 200 ℃的条件下真空热压烧结30 min，制备出力学性能得到改善的复合材料. 王丽君[15]在1 000 ℃、保温30 min 的条件下，利用微波烧结制备了镀Cu石墨烯增强Ti6Al4V复合材料，结果表明其力学性能显著提高. Hu等[16]采用激光烧结法制备了高模量、高硬度的石墨烯增强钛基复合材料，研究结果显示激光烧结法是兼具快速、灵活、经济的烧结工艺.2 石墨烯增强钛基复合材料的性能石墨烯加入钛合金中，能不同程度地改善复合材料性能. 影响石墨烯增强钛基复合材料性能的因素很多，主要包括混粉方法、制备工艺、石墨烯含量（质量分数，全文同）和钛合金类型等.Yang等[17]制备不同石墨烯含量的石墨烯增强纯钛复合材料. 经1 h球磨，球料比为4，在1 350 ℃下微波烧结15 min，研究结果表明抗压强度随石墨烯含量的增加而增加，当含量增加到0.4%时，抗压强度下降. Thomas等[18]制备2%石墨烯纳米薄片的Ti2AlC复合材料，研究结果表明断裂强度提高335%，弯曲应力增加195%，弯曲应变增加41%. Hu等[19]制备不同含量氧化石墨烯增强钛的复合涂层，实验结果表示，复合涂层的摩擦因数随加入氧化石墨烯含量的变化而改变，氧化石墨烯含量为2.5%时，复合涂层的摩擦因数取最小值. Zhang等[20]制备石墨烯均匀分布、致密性较好的石墨烯/钛复合材料，复合材料的导热性能显著增强. 胡增荣等[21]制备均匀性较好的石墨烯增强钛纳米复合材料并研究其腐蚀性，研究结果表明，复合材料的腐蚀电位相比纯钛提高0.05 V，腐蚀电流降低9×10−8 A / cm2.综上，当石墨烯作为增强相添加到钛基复合材料中，复合材料的力学性能、摩擦磨损性能、导热性能和耐腐蚀性能都有不同程度的提高. 石墨烯添加量是影响性能的关键因素，通常在0.1%～0.8%. 石墨烯添加量过少，复合材料性能提升不明显；石墨烯添加量过多，则易导致聚合物团聚而降低复合材料的性能. 当石墨烯的添加量相同时，烧结工艺、烧结温度和压强等也会影响性能的提高.因此，可以在建立石墨烯增强钛基复合材料的石· 34 ·上海工程技术大学学报第 35 卷墨烯含量、钛基复合材料类型、制备工艺和力学性能等直接关联的大数据库方面开展研究，为石墨烯增强钛基复合材料提供数据支持和理论指导.3 石墨烯增强钛基复合材料的界面结构石墨烯增强钛基复合材料中石墨烯与钛基体的界面结合是当前研究的重点和难点[22]，在高温下，钛的性质非常活泼，极易与石墨烯发生界面反应[23]，原位自生TiC颗粒增强钛基复合材料[24 − 25].但关于石墨烯增强钛基复合材料的界面结构方面的研究还并不成熟. 目前的研究普遍采用建立数学模型来分析其复杂的界面结构. 何小晶等[26]用第一性原理模拟计算了石墨烯与Ti原子的关系，结果表明当温度达到1 100 K时，原子结合最紧密，界面结合最佳；当温度达到2 000 K时，界面结合作用开始减弱. 陈斌溢[27]也用第一性原理计算了钛/石墨烯/钛的界面性质，结果表明石墨烯层数、复合材料的缺陷等都对其有所影响，并且Ti原子和C原子的位置、石墨烯含量等都对结合能有一定的影响.Mu等[28]用化学镀镍的方法制备镀Ni石墨烯增强纯钛基复合材料，结果表明石墨烯纳米纤维（GNFs）和Ni原子之间形成强大的界面结合. 通过化学镀镍可以阻止TiC x生成，因此可以保留GNFs 的原始结构，使得复合材料的强度较纯钛有很大程度地提高. 这种控制界面结合情况对石墨烯增强钛基复合材料的研究具有重要意义. Zhang等[29]把用聚乙烯醇处理过的Ti6Al4V和用羧酸处理过的石墨烯混合，制备了三维网状结构的石墨烯增强Ti6Al4V的复合材料，这种网状结构可优化组织，使得复合材料的抗压强度和拉伸性能均有所提高.综上，石墨烯与钛合金的界面结构复杂，通常采用对石墨烯或者钛合金粉末进行表面处理的方法来提高界面结合强度，关于界面结构尚需更多基础理论研究.4 石墨烯增强钛基复合材料的强化机理石墨烯增强金属基复合材料的强化机理通常由多个机理共同作用[30]. 关于强化机理，已有研究表明：1）石墨烯的添加能减小材料亚晶粒尺寸，细化晶粒，增强材料性能；2）石墨烯能阻碍位错运动，形成高密度位错；3）石墨烯在基体中起到传递载荷的作用. 目前报道的强化机理主要有细晶强化、奥罗万（Orowan）强化、剪切滞后强化等.陈航等[9]制备石墨烯增强600 ℃高温钛合金的复合材料，研究结果表明石墨烯增强钛基复合材料的强化机理包含细晶强化、位错强化、第二相强化等3种强化机理. Song等[31]制备了多层石墨烯增强钛基复合材料，通过球形微压痕和划痕实验结果可以发现压痕屈服强度和抗划痕性能都有显著提高，研究认为其强化机理为Orowan强化. Zhou 等[11]制备多层石墨烯增强Ti47Al2Cr4Nb0.3W复合材料. 所得合金的抗弯强度、抗压强度和摩擦学性能都得到了不同程度地提高，研究指出其强化机理为细晶强化.石墨烯增强钛基复合材料的强化机理较为复杂，现有细晶强化、Orowan强化、剪切滞后强化等3种机理的比重目前尚没有统一的定论.5 结　语石墨烯作为增强相加入到钛合金中，钛基复合材料的强度、弹性模量和耐磨性等在室温和高温下都有所提高，但其塑性通常略有降低，这制约了石墨烯增强钛基复合材料在大多数关键工程中的应用.目前，石墨烯增强钛基复合材料的制备中，面临的第一个研究重点问题是如何获得高强度高塑性材料. 采用新型的粉末冶金法可在不降低塑性的同时提高强度，但制备理想的无气孔石墨烯增强钛基复合材料仍有困难，钛层厚度、石墨烯的粒径及其层数、烧结温度及烧结工艺等都是影响性能的重要因素. 另一重点是石墨烯的均匀分散及界面问题. 石墨烯的添加不足及添加过多都会影响石墨烯的均匀分布，同时随着石墨烯含量的增加，复合材料的气孔率会增加而降低材料性能. 石墨烯在钛基体中的分散问题尚需要研究. 对于界面问题，当前的研究主要集中在对石墨烯或者钛合金进行表面改性方面，提高界面润湿性能在一定程度上增强界面结合.此外，针对石墨烯在钛基体中强化机理的研究，大多建立在金属基复合材料增强机理的基础第 1 期万召梅等：石墨烯增强钛基复合材料的研究进展· 35 ·上，但对其具体的增强机理并没有做出说明. 因此，如何解决上述问题，从而制备出高质量的石墨烯增强钛基复合材料将会是未来研究的重点.参考文献：ZHU Y W, MURALI S, CAI W W, et al. Graphene andgraphene oxide: Synthesis, properties, and applica-tions ［J ］ . Advanced Materials ，2010，22（35）：3906 −3924.［ 1 ］WANG J Y, LI Z Q, FAN G L, et al. 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2023 年第 43 卷航　空　材　料　学　报2023，Vol. 43第 6 期第 1 – 19 页JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS No.6 pp.1 – 19引用格式：王敏涓，黄浩，王宝，等. 连续SiC纤维增强钛基复合材料应用及研究进展[J]. 航空材料学报，2023，43(6)：1-19.WANG Minjuan，HUANG Hao，WANG Bao，et al. Application and research progress of continuous SiC fiber reinforced titanium matrix composite materials[J]. Journal of Aeronautical Materials，2023，43(6)：1-19.连续SiC纤维增强钛基复合材料应用及研究进展王敏涓1,2, 黄 浩1,2*, 王 宝1,2, 韩 波1, 杨平华1, 黄 旭1（1．中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2．中国航空发动机集团 先进钛合金重点实验室，北京 100095 ）摘要：连续SiC纤维增强钛基（SiC f/Ti）复合材料具有比强度高、比模量高、耐高温等特点，在航空航天领域具有重要的应用前景。

本文总结了SiC f/Ti复合材料的应用、制备、性能调控和检测技术，并提出了SiC f/Ti复合材料未来需要突破的瓶颈问题。

SiC f/Ti复合材料单向性能优异，在环类转动件（叶环、涡轮盘等）、杆件（涡轮轴、连杆、紧固件等）以及板类构件（飞机蒙皮等）具有明显应用优势。

常用的SiC f/Ti复合材料的制备方法有箔压法和基体涂层法，箔压法适合制备板类结构件，基体涂层法适用于缠绕形式的结构件，如环、盘以及杆等。

SiC f/Ti复合材料的性能主要取决于SiC纤维、钛合金基体以及纤维/基体界面。

SiC纤维微观结构和性能对制备工艺具有较强的敏感性，通过反应器结构和沉积条件调控获得性能稳定的SiC纤维是研究重点之一。