一种高强韧层状结构TiCx/Ti基复合材料及其制备方法

本发明涉及一种新材料制备，具体涉及一种高强韧层状结构ticx/ti基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、钛基复合材料是在20世纪50年代发展起来的新型金属基复合材料，与钛合金相比，它具有更高的比强度和比弹性模量，以及优异的耐高温性能和耐蚀性能，并克服了钛合金耐磨性及耐燃性较差的缺点，所以被认为是能够改善钛材性能和拓展钛合金应用的一种新材料，在航空航天、舰船汽车及国防军事等诸多领域具有广阔的应用前景。

2、钛基复合材料主要是以钛或钛合金为基体，陶瓷相(颗粒、晶须、纤维)为增强体制备而成的。所得材料的性能主要取决于基体和增强体的特性、分布和含量等，优化组合增强体和基体是制备高性能钛基复合材料的决定性因素。

3、其中，ti3alc2是性能优异的结构陶瓷，它是mn+1axn相(也称作max相)材料体系中312相的一员，它结合了金属和陶瓷的部分优异性能，该陶瓷本身在室温下就具有类似于金属的韧性与可加工性、良好导电性等特点，又具备良好的高温力学性能及耐腐蚀性能。max增强金属基复合材料已有很多报道，经max相增强后的复合材料，硬度、强度和耐磨性都有较大提升。该陶瓷所具备的优良性能，将其作为钛基复合材料的增强相不失为一种好的选择。

4、一直以来，基于金属基复合材料的传统研究思路，大部分研究人员总是追求增强相在钛基体中均匀分布，并致力于通过提高增强相含量来改善钛基复合材料的力学性能。尽管钛基复合材料的强度和刚度明显提高，但是塑性和韧性显著下降，即传统钛基复合材料的强度–韧性(塑性)呈现倒置关系。而工程实际应用往往要求钛基复合材料不仅应该具有较高的强度和刚度,同时必须具备良好的塑性和抗冲击能力。当前，钛基复合材料由于塑性与韧性不足极大地限制了其在工业领域的广泛应用。因此，开发高强韧性(强度提高同时，保持足够的塑性与韧性)的钛基复合材料势在必行。

技术实现思路

1、发明人发现，在自然界中，多种生物经过长期的自然筛选都选择了最适合的材料以特定的方式构建组织，如竹子、蝶翅、贝壳等。其中，研究发现贝壳生物的珍珠层化学组成十分简单，主要是片状碳酸钙晶体，外加少量有机质，按照一种复杂精细的砖砌微结构堆垛，可以显著提高整体的韧性，其断裂功可达单纯碳酸钙晶体的3000倍以上。随着对生物材料的研究不断深入，发现这些材料具备着各种不同的优异性能，这对于采用仿生手段来制备新型高性能的钛基复合材料来说具有十分重要的借鉴意义。

2、另一方面，发明人经反复研究及大量实验发现，max相材料的化学键特征较为特别：强的共价键和离子键连接了m与x原子，以弱的共价键和金属键结合m与a原子。由于a位原子的结合弱，在金属材料复合过程中容易发生脱溶进入到基体中，留下mx相。以ti3alc2材料为例，若ti3alc2发生a位al脱溶，产生非化学计量比的ticx，与ti基体具有良好的润湿性；与此同时脱溶的al进入ti基体中，可以强化ti基体。

3、进一步本发明人在天然生物贝壳珍珠层的多尺度、多层级的强韧化机理研究的基础上，结合ti3alc2材料的化学键特性，研究并制备了以ti基和ti3alc2的层叠体出发经过烧结后得到的层状结构ticx/ti基复合材料，并通过层间结构的优化设计，结合片层增韧机理，能够实现强度和韧性的良好结合，并在此基础上完成了本发明。

4、本发明目的在于提供一种兼具高强度和高韧性的高强韧层状结构ticx/ti基复合材料及其制备方法。

5、现有层状钛基复合材料的制备方法根据工艺属性的不同，主要包括以下几种：爆炸复合法、轧制复合法、热压扩散法和沉积复合法。层状结构的复合方式有：⑴交替粉层与粉层堆叠；⑵交替片层与片层堆叠。其中存在的问题有：粉层交替堆叠过程中不易控制层的均匀性、层间易引入杂质以及不同粉层之间易混合难以回收；通过先制备的块体材料再切片和沉积法制片的工艺流程复杂且成本较高。

6、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

7、根据本发明第一方面实施例的高强韧层状结构ticx/ti基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

8、步骤s1，准备基体，所述基体为含ti箔片；

9、步骤s2，准备ti-ti3alc2复合层片，该复合层片是由含ti和ti3alc2的粉体浆料通过有机流延法制备而成；

10、步骤s3，将所述ti-ti3alc2复合层片与所述基体交替层叠多层，得到层合体；

11、步骤s4，将所述层合体进行热压烧结，得到高强韧层状结构ticx/ti基复合材料。

12、进一步地，所述含ti箔片的材质为纯ti、tc4钛合金、ta15钛合金的任意一种，所述含ti箔片的厚度为30-100μm。

13、进一步地，所述步骤s2包括：

14、步骤s21，称取ti3alc2粉和ti粉并进行混合，得到混合粉末；

15、步骤s22，将粘结剂溶解在有机溶剂中，得到含有所述粘结剂的有机溶液；

16、步骤s23，将所述混合粉末加入所述有机溶液中并进行分散，得到浆料；

17、步骤s24，将所述浆料涂覆在基板上以在所述基板上形成涂覆层；

18、步骤s25，使所述涂覆层干燥并将其从所述基板表面脱模，得到所述ti-ti3alc2复合层片。

19、进一步地，所述ti粉粒径为40-50μm，ti3alc2粉粒径为4-5μm，以体积分数计所述混合粉末中所述ti3alc2粉的添加比例为5vol％-20vol％，所述ti-ti3alc2复合层片的厚度为800-1500μm。

20、进一步度，所述步骤s21中，通过滚筒球磨进行混合，其中滚筒球磨中球料比为(2-5)：1，以100-150r/min的转速球磨20-25h。

21、进一步地，所述步骤s22包括：

22、将所述粘结剂通过分散溶解于无水乙醇溶剂中，搅拌至完全溶解；

23、将增塑剂加入其中并继续搅拌至完全溶解，得到所述有机溶液。

24、进一步地，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛(pvb)，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯(dbp)或邻苯二甲酸二辛酯(dop)或两者的混合物，其中，所述粘结剂在无水乙醇中的含量占比为4.5wt.％-5.5wt.％，所述增塑剂相对于所述粘结剂的添加量为(1-1.5)：1。

25、进一步地，所述步骤s23中，所述浆料中所述混合粉末的含量为40wt.％-60wt.％，所述步骤s23包括：

26、将所述混合粉末加入所述有机溶液中，先进行超声分散，接着机械搅拌，得到分散均匀的所述浆料。

27、进一步地，所述步骤s4包括：

28、步骤s41，在2-10mpa轴向机械压力作用下预压所述层合体，并保压预定时间；

29、步骤s42，将预压后的所述层合体在1200-1400℃，压力20-50mpa作用下热压烧结1-3h，得到高强韧层状结构ticx/ti基复合材料。

30、进一步地，步骤s42包括：将预压后的所述层合体放入热压烧结模具腔内，抽真空的同时以升温速率10℃/min升温至600℃，并在600℃保温60min后结束抽真空，再通入高纯氩气作为保护气体，继续升温到1200℃时开始加压，至1350℃时加压至30mpa，并在1350℃最高温度保压90min，此后随炉冷却，得到高强韧层状结构ticx/ti基复合材料。

31、根据本发明第二方面实施例的高强韧层状结构ticx/ti基复合材料，由本发明第一方面任一实施例的制备方法制备得到，所述高强韧层状结构ticx/ti基复合材料的弯曲强度为1300mpa以上，断裂韧性为30mpa·m1/2以上。

32、本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：

33、根据本发明实施例的制备方法，通过层状结构的设计，相比于均质单一的钛基复合材料，层状结构对裂纹的偏转及对断裂能的吸收可以提高钛基复合材料的韧性，表现出良好的延迟断裂的特点，实现强度和韧性的良好匹配；

34、另一方面，采用ti3alc2三元层状max相陶瓷材料，其具有独特的a位al原子脱溶特性，通过热压烧结ti3alc2原位生成ticx，同时脱溶的a位al原子与ti产生合金化的作用，从而起到性能强化的效果；

35、根据本发明实施例的高强韧层状结构ticx/ti基复合材料，所述高强韧层状结构ticx/ti基复合材料的弯曲强度为1300mpa以上的同时，断裂韧性为30mpa·m1/2以上。