D0I:10.13374/1.issm100103.2007.02.028 第29卷第2期 北京科技大学学报 Vol.29 No.2 2007年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2007 原位混杂增强钛基复合材料的制备与组织分析 倪丁瑞耿林郑镇洙 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001 摘要理论上分析了由TiB:CC系原位自生制备TB晶须(TBw)和TC颗粒(TCp)混杂增强钛基复合材料的可行性， 运用热分析方法(DSC)研究了一定量的钛粉、碳化硼粉与碳粉的混合粉末在加热过程中的反应情况·结果显示复合材料原始 粉末加热过程中在940~1150℃这一温度范围内发生剧烈的放热现象，有可能生成了新相.XRD检测分析结果显示在烧结态 材料中形成了TB与TiC,而且TC的含量随所添加的C含量增加而增加.OM与SEM分析表明复合材料中存在棒状TiB晶 须和近似等轴状TC颗粒两种不同形态的增强体，并且两种增强种体均匀的分布在基体中.实验结果表明，可以采用反应热 压法由TiB4C℃系制备原位自生TB晶须和TiC颗粒混杂增强的钛基复合材料· 关键词钛基复合材料：反应热压法；微观组织：原位自生；混杂增强 分类号TB331 钛基复合材料(TMCs)具有高的比强度和比刚 材料的抗蠕变性能.R6ler]在分析双尺度颗粒强 度以及良好的高温抗蠕变性能]，因此在航空航 化高温材料的蠕变性能时指出，3/4棒状增强体与 天领域极具吸引力，成为这一领域理想的高性能应 1/4纳米级的弥散颗粒混杂增强可使材料获得理想 用材料之一·近年来，随着非连续增强钛基复合材 的增强效果，这说明在进行复合材料的设计时应充 (discontinuously reinforced titanium matrix com- 分考虑材料的混杂增强效应，实验也证明，混杂增 posites,DRT MCs)研究的广泛开展，该类材料在民 强是获得高性能复合材料的有效方法，它可以兼顾 用工业方面也展现出了良好的应用前景，成为金属 两种或多种增强体的特点使之起到相互弥补的作 基复合材料(MMCs)研究中极其活跃的一枝，在非 用，特别是由于产生的混杂效应将明显提高或改善 连续增强钛基复合材料的制备技术中，原位自生增 单一增强材料的某些性能，从而扩大材料设计的自 强技术由于具有十分突出的优，点而得到广泛的研 由度，同时也大大降低复合材料的原材料费 究，如：增强体与基体具有很好的热力学稳定性，在 用0山，因此，对于TB与TC原位自生混杂增强 高温环境中服役时不易破坏：增强体尺寸更加细小， 钛基复合材料方面的研究将很有意义，在钛基复合 分布均匀，具有优良的力学性能等，在目前的原位 材料制备技术中，反应热压法是一种值得关注的制 自生钛基复合材料制备体系中，由TiB4C系原位 备技术，它继承了传统粉末治金方法的各种优，点，如 自生制备TB和TC增强钛基复合材料是一种简 简单、经济、增强体分布均匀且体积含量易于精确控 单可行的方法，得到广泛的研究-]，但由该体系 制等，通过混合物粉末中各种元素之间或元素与化 反应生成的TB和TiC两种增强体之间的摩尔比 合物之间的化学反应生成陶瓷增强体，把放热反应 不可改变，即恒为4：1，这也意味着它们的体积比是 和随后的致密化过程相结合，在一个工序中完成了 不可变的，增强体的定体积比可能限制了它们的增 致密产物的制备·因而，这一制备技术本身有着重 强效果，从而影响该类复合材料性能的进一步优化， 要的研究意义，而采用这一技术来研究前文所述问 根据West wood[8的复合材料微观结构设计思想，硬 题则更具有突出的优势. 度高的颗粒增强相用于提高材料的强度，弹性好的 本文探讨了在TB4CC三元系基础制备TB 增强相用于提高材料的韧性，而晶须则有利于提高 晶须与TC颗粒混杂增强钛基复合材料的可行性， 应用RHP法由TiB4CC三元系制备原位自生合 收稿日期：2006-09-28修回日期：2006-11-28 基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划(N。·NCET04O324): 成TB与TiC具有不同体积比的(TBw十TiCp)/Ti 2003年黑龙江省杰出青年科学基金 复合材料，并对复合材料进行了物相分析与形貌 作者简介：倪丁瑞(1976一)男，博士研究生；耿林(1964-)男， 观察， 教授，博士生导师原位混杂增强钛基复合材料的制备与组织分析 倪丁瑞 耿 林 郑镇洙 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院‚哈尔滨150001 摘 要 理论上分析了由 Ti－B4C－C 系原位自生制备 TiB 晶须（TiBw）和 TiC 颗粒（TiCp）混杂增强钛基复合材料的可行性． 运用热分析方法（DSC）研究了一定量的钛粉、碳化硼粉与碳粉的混合粉末在加热过程中的反应情况．结果显示复合材料原始 粉末加热过程中在940～1150℃这一温度范围内发生剧烈的放热现象‚有可能生成了新相．XRD 检测分析结果显示在烧结态 材料中形成了 TiB 与 TiC‚而且 TiC 的含量随所添加的 C 含量增加而增加．OM 与 SEM 分析表明复合材料中存在棒状 TiB 晶 须和近似等轴状 TiC 颗粒两种不同形态的增强体‚并且两种增强种体均匀的分布在基体中．实验结果表明‚可以采用反应热 压法由 Ti－B4C－C 系制备原位自生 TiB 晶须和 TiC 颗粒混杂增强的钛基复合材料． 关键词 钛基复合材料；反应热压法；微观组织；原位自生；混杂增强 分类号 TB331 收稿日期：20060928 修回日期：20061128 基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划（No．NCET－04－0324）； 2003年黑龙江省杰出青年科学基金 作者简介：倪丁瑞（1976－）‚男‚博士研究生；耿 林（1964－）‚男‚ 教授‚博士生导师 钛基复合材料（T MCs）具有高的比强度和比刚 度以及良好的高温抗蠕变性能［1－4］‚因此在航空航 天领域极具吸引力‚成为这一领域理想的高性能应 用材料之一．近年来‚随着非连续增强钛基复合材 料（discontinuously reinforced titanium matrix com￾posites‚DRT MCs）研究的广泛开展‚该类材料在民 用工业方面也展现出了良好的应用前景‚成为金属 基复合材料（MMCs）研究中极其活跃的一枝．在非 连续增强钛基复合材料的制备技术中‚原位自生增 强技术由于具有十分突出的优点而得到广泛的研 究‚如：增强体与基体具有很好的热力学稳定性‚在 高温环境中服役时不易破坏；增强体尺寸更加细小‚ 分布均匀‚具有优良的力学性能等．在目前的原位 自生钛基复合材料制备体系中‚由 Ti－B4C 系原位 自生制备 TiB 和 TiC 增强钛基复合材料是一种简 单可行的方法‚得到广泛的研究［5－7］．但由该体系 反应生成的 TiB 和 TiC 两种增强体之间的摩尔比 不可改变‚即恒为4∶1‚这也意味着它们的体积比是 不可变的．增强体的定体积比可能限制了它们的增 强效果‚从而影响该类复合材料性能的进一步优化． 根据 Westwood ［8］的复合材料微观结构设计思想‚硬 度高的颗粒增强相用于提高材料的强度‚弹性好的 增强相用于提高材料的韧性‚而晶须则有利于提高 材料的抗蠕变性能．Rösler ［9］在分析双尺度颗粒强 化高温材料的蠕变性能时指出‚3／4棒状增强体与 1／4纳米级的弥散颗粒混杂增强可使材料获得理想 的增强效果．这说明在进行复合材料的设计时应充 分考虑材料的混杂增强效应．实验也证明‚混杂增 强是获得高性能复合材料的有效方法‚它可以兼顾 两种或多种增强体的特点使之起到相互弥补的作 用‚特别是由于产生的混杂效应将明显提高或改善 单一增强材料的某些性能‚从而扩大材料设计的自 由度‚同 时 也 大 大 降 低 复 合 材 料 的 原 材 料 费 用［10－11］．因此‚对于 TiB 与 TiC 原位自生混杂增强 钛基复合材料方面的研究将很有意义．在钛基复合 材料制备技术中‚反应热压法是一种值得关注的制 备技术‚它继承了传统粉末冶金方法的各种优点‚如 简单、经济、增强体分布均匀且体积含量易于精确控 制等‚通过混合物粉末中各种元素之间或元素与化 合物之间的化学反应生成陶瓷增强体‚把放热反应 和随后的致密化过程相结合‚在一个工序中完成了 致密产物的制备．因而‚这一制备技术本身有着重 要的研究意义‚而采用这一技术来研究前文所述问 题则更具有突出的优势． 本文探讨了在 Ti－B4C－C 三元系基础制备 TiB 晶须与 TiC 颗粒混杂增强钛基复合材料的可行性‚ 应用 RHP 法由 Ti－B4C－C 三元系制备原位自生合 成 TiB 与 TiC 具有不同体积比的（TiBw＋TiCp）／Ti 复合材料‚并对复合材料进行了物相分析与形貌 观察． 第29卷 第2期 2007年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．2 Feb．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．02．028