粉末冶金法制备颗粒增强钛基复合材料的研究

粉末冶金法制备颗粒增强钛基复合材料的研究

左殿政 ,张金玲

山东鲁银新材料科技有限公司

摘要：颗粒增强钛基复合材料由于具有高强度、轻量化以及耐腐蚀等优势，所以该材料一般应用在航空航天等领域。本文首先详细分析强钛基复合材料力学性能，并且结合现阶段粉末冶金法制备特点，进一步总结出粉末冶金法制备应用策略。

关键词：粉末冶金法；钛基复合材料；力学性能；负面影响

现代化制造行业不断发展和进步，钛基复合材料已经成为科学技术发展不可缺少的全新材料，相比于传统钛材料或者钛合金材料，钛基复合材料应用种类更加多样化，不仅具备传统合金材料的优良性能，一定程度上还具备优秀的强度、刚度以及耐高温等性能。因此钛基复合材料制备时，不同类型的增强颗粒物质对于复合材料影响极大，其中连续性纤维增强实际建设过程中，虽然材料具有高强度、耐高温等特点和优势，但是使用常见技术加工困难，材料在受力环节上极易产生裂缝问题。

一、强钛基复合材料力学性能

利用粉末冶金法生产和制造颗粒钛基复合材料时，通过向钛基复合材料增加颗粒物质，有效改变集体材料力学性能，有效拓展钛物质以及钛基复合材料应用范畴，特别是材料自身所具备的耐高温属性。为此粉末冶金法使用过程中，钛基复合材料颗粒必须具备一定强度与弹性模型量，并且颗粒物质在基体环境中处均匀分布状态，以此起到强化作用。

当物质中增强颗粒尺寸小于1μm时，能够通过约束位错运动不断增加强钛基复合材料结构强度，经过技术研究发现TiB、TiC钛基复合材料增强颗粒物质通过均匀分布在晶体周边，有效阻碍晶体边界位移，最终起到晶体强化实际作用。从现代化钛基复合材料力学性能能够全面观察出，利用粉末冶金法制作增强颗粒物质能够最大程度增加钛基复合材料自身抗拉伸以及抗屈服强度，但是此种制造模式对材料可塑成性具有负面影响，为此应利用激光熔覆法有效完善材料自身结构的可塑性[1]。

现阶段，不同增强颗粒物质对钛基复合材料的影响各不相同，为此技术人员需要将粉末冶金法与热加工、热处理工艺等相互结合处理，最终得出阶层状的Ti-(TiB + TiC)/Ti复合材料，经过性能测试实验之后证明，当材料原位增强体积分数为5%时，钛基复合材料在室温环境下的综合力学性能达到最佳。但是利用粉末冶金法制备颗粒，有效增强钛基复合材料时，过量的增强颗粒物质同样会导致材料产生团聚现状，造成复合材料自身结构可塑性大幅度下降，为此技术人员使用粉末冶金法所制备的复合材料高温力学性能较低，所得到的钛基复合材料质量水平较高，在400度以上500度以下，钛基复合材料屈服强度提升至15.8%。所以利用粉末冶金法制备的钛基复合材料已经成为技术研究的重点内容。

二、粉末冶金法制备应用策略

（一）机械合金法

在钛基复合材料研究过程中机械合金法主要由20世纪60年代所提出，该技术方式主要利用高能球设备制作钛基复合材料，因此该技术通过对混合粉末物质的研磨，金属颗粒不断粉碎之后在进行焊接，有效将已经达到粉末程度降低至纳米级别尺寸。经过球磨技术操作之后的颗粒物质表面活性程度较高，能够在室温环境下完成固态化反应，有效将不连续的颗粒物质增强处理之后引导至金属集体结构中。

我国经过技术优化和完善，首次利用机械合金法制备出均匀且细小的氧化钛基复合材料，目前该技术已经成功应用于物质制备，并且通过技术增强钛基复合材料。经过一系列实验结果表明，当钛基复合材料体积基数为15%时，利用球磨设备压磨10小时并且在800度环境下烧结后，通过机械合金法制备所得到的钛基复合材料无论是结构密度还是硬度分别达到了4.713 g"cm和HV85158。随着球磨时间不断增加，粉末状态下的颗粒尺寸大幅度减小，混合粉末物质数量增加，此种物质在烧结之后样品相对密度随之提升，所制备晶体颗粒大小均匀且细小，能够有效分布在钛基复合材料中[2]。

钛基复合材料增强颗粒制备过程中，由于颗粒中Ti基础物质活性较高，所以在球磨操作过程中极易氧化，此种制备工艺需要进一步完善，技术人员利用机械合金法制备材料外部复合涂层，结合电子热熔技术进行重熔处理，从根本上减少材料耐磨涂层内部结构缺陷以及孔隙率，有效提升TiC颗粒与基体之间的结合程度。由此可见，利用机械合金法所生产得到增强颗粒物质进行材料结构喷涂之后，复合涂层的耐磨性能则最高。

（二）放电等离子烧结法

放电等离子烧结法所制备的复合材料成为目前粉末冶金法比较前沿的技术方式，同样成为我国各个科学研究单位研究的热点问题，为此技术人员使用放电等离子烧结法主要将金属粉末物质增加模具内并且连接材料电极，经过压力制备之后，在粉末颗粒物质之间直接增加脉冲电流进行结构烧结，完成材料内部与外部同时释放热量。极大的缩短了材料烧结时间，阻碍钛基复合材料晶体物质的扩大。

经过技术研究表明，选择石墨生产模具能够有效控制和管理烧结之后的钛基复合材料基础含氧量，从根本上增加复合材料力学性能，所以技术人员需要在1100度环境下至少保温30分钟之后制备钛基复合材料，才能确保材料相对密度能够达到99%，深入探索其主要原因则是由于在高温环境下，晶体物质扩散速度明显提升，推动材料密度流程。

放电等离子烧结法实施过程中，由于晶体在实施过程中会不断滑动和旋转，导致TiN颗粒重新定向填充孔隙，以此不断提升材料相对密度。所以技术人员在加工温度1070度环境下使用放电等离子烧结法，能够保证工业钛基复合材料表面可以快速形成表面硬度为HV1200，并且厚度为5umTiC层，从根本上增加复合材料耐腐蚀性与耐磨性能。现阶段，技术人员已经将计算机控制技术与放电等离子烧结法相互结合，使快速制备高性能钛基复合材料成为可能。

（三）高温合成法

高温合成法在实施过程中，该技术是一项全新制备技术，在实施环节上能够致使混合粉末在几十秒内完成产品所需要的尺寸数据和外部形状，由于传统粉末冶金法一般需要消耗几个小时，所以需要积极引进高温合成法，利用混合粉末物质的基础反应，为钛基复合材料提供制造能量，因此该物质普遍具有速度快、能量消耗低等优势与特点。

由于高温合成法加热速度较快，钛基复合材料相对密度为30-70%，因此需要将其与挤压法或热等静压法等加工技术模式相结合，以此不断增加复合材料相对密度。为此技术人员首先将高温合成法与放电等离子烧结法相互结合，成功制备出增强钛基复合材料，随后将Ti-6Al- 4V粉末混合在放电等离子中进行烧结，有效制备出高密度的钛基复合材料[3]。经过一系列技术测试，高温合成法所制作出的钛基复合材料基础延伸率大幅度降低，但是抗拉伸强度和弹性模型量不断提升，有效满足实际应用和研究需求。

结束语：

由此可见，在国家需求牵引的颗粒增强钛基复合材料制备加工与生产研究方面,既要深入拓展材料基础研究,但也要持续扩大应用领域和市场规模。因此，为保证颗粒增强钛基复合材料形成研发-应用-发展的良性循环。

参考文献：

[1]杨宇承,潘宇,路新,于爱华,惠泰龙,刘艳军.粉末冶金法制备颗粒增强钛基复合材料的研究进展[J].粉末冶金技术,2020,38(02):150-158.

[2]任峰岩,许磊,历长云,米国发,王有超.粉末冶金法制备颗粒增强镁基复合材料的研究进展[J].粉末冶金技术,2020,38(01):66-73.

[3]江佳阳,杜景红,严继康,张家敏,甘国友.粉末冶金法制备Al_xCuFeNiCoCr高熵合金及其性能（英文）[J].稀有金属材料与工程,2022,51(02):392-399.