颗粒增强钛基复合材料专利技术

陈帅 杨文昭

摘 要：钛基复合材料与其他的结构材料相比，具有更高的比强度。本文主要对制备颗粒增强钛基复合材料的工艺进行研究分析，以分类号和关键词为检索入口，利用中文摘要专利数据库CNABS和外文摘要专利数据库VEN进行检索，对其专利技术演进和发展进行梳理和统计分析，并对该技术未来的发展进行分析和预测。

关键词：钛合金;颗粒增强;专利

中图分类号：TB33;G306 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）19-0149-03

Abstract： Compared with other structural materials， titanium-based composite materials have higher specific strength. This article takes the preparation method of the particle-reinforced titanium-based composite material as the starting point. By using the patent database CNABS and VEN to search for keywords and classification numbers， the patent technology evolution and development of the technology are sorted and statistically analyzed， and the technology is the future development has been analyzed and predicted.

Keywords： titanium alloy;particle enhancement;patent

1 研究背景介绍

随着科学技术的日新月异，钛基复合材料因其优异的性能，已成为当前研究的新热点。钛基复合材料为技术强国重视的材料类型，专利申请量逐年增加，如图1和图2所示。钛基复合材料为钛合金的重要组成部分，因其成本高和制造难度大，限制了纤维增强的钛基复合材料的广泛使用。颗粒增强因其低成本、具有良好的力学性能，越来越受到人们的关注[1-3]。

2 复合材料的制备工艺

2.1 粉末冶金法

粉末冶金技术是本领域常用工艺，具有良好的发展前景。混料、压制、烧结致密化为粉末冶金常见工艺流程，可在较低的温度下制备致密化、颗粒分布均匀的复合材料[1]。

2.2 机械合金化法

机械合金化法是一种高能球磨工艺，可以减小扩散激活能，改变合金化的动力学和热力学性能，从而制备得到普通工艺难以得到的很多高性能材料。

2.3 熔炼铸造工艺

熔炼铸造法生产成本低、工序简单，可制备构型复杂的铸件，但存在成分分布不均匀、晶粒粗大等缺陷[2]。

2.4 其他工艺

自蔓延高温合成工艺是制备金属间化合物和金属陶瓷的新方法。

激光熔覆法是指通过高能激光束扫过表面涂有各种合金成分的钛合金表面，在钛合金表面形成局部熔池并快速冷却的方式制备TiC或其他颗粒增强的钛基复合材料层的方法。

3 专利技术演进和发展

目前，已有许多科研机构、高校、企业对复合材料的制备工艺技术进行了研究[1]。本文以中國专利文摘数据库CNABS和世界专利文摘数据库组成的虚拟数据库VEN作为检索数据库，对全球颗粒增强钛基复合材料的专利技术进行分析，得出该技术的发展方向及趋势，对该技术现实的技术发展方向具有一定的引导和借鉴意义。图3给出了不同制备方法和增强相的技术脉络图，分析各个制备方法和增强相的技术脉络。

对于粉末冶金法，日本SAITO S公司（JP23040984A）在1984年首先将TiC通过粉末冶金制备工艺加入到钛合金中，提高了复合材料的力学性能;美国DYNAMET TECHNOLOGY INC（US19850704263A）先是通过粉末冶金的方法将TiC加入钛合金，提高了复合材料的硬度、弹性模量及耐磨性能，继而通过添加TiC、TiB2及TiB的方式来改善复合材料的力学性能;日本KOBAYASHI K（JP11670695A）和MITSUBISHI MATERIALS CORP（JP24537395A）公司分别通过加入TiB的方式，提高复合材料的硬度、耐蚀、弹性模量及耐磨性能。进入21世纪后，中国的申请量逐渐增加，哈尔滨工业大学（CN200510010381）由Ti基体、TiB和TiC增强相组成复合材料;上海交通大学（CN200710046913）先采用粉末冶金法将Re2O3、TiB和TiC颗粒加入到钛合金中提高合金的热强性、焊接性、韧性和加工性能，随后将TiB+La2O3（CN201510067811）加入到钛合金中改善合金韧性，将TiC、TiB2或石墨烯（CN201610128648）加入到钛合金中提高合金的致密度;中国兵器工业第五二研究所（CN201110440775）将石墨粉加入钛合金中改善了合金的均匀性[3]。

对于熔炼铸造法，美国MCDOWELL CO公司（US19820350276）于1982年将碳化物和硼化物通过熔炼铸造工艺制备复合材料提高了材料的力学性能;日本SUMITOMO METAL公司（JP12088790A）先是用TiC、TiB2、TiB增强钛合金的耐腐蚀性、耐磨性、硬度，随后用TiC增强钛基复合材料的耐磨和力学性能（JP7330591A）;上海交通大学（CN200710042304）先采用TiB颗粒加入到钛合金中提高合金的耐热性能，随后将TiB和TiC（CN200810202298）加入到钛合金中改善合金强度及弹性模量;太原理工大学（CN201610400807）制备了TiB2、Y2O3颗粒增强复合材料，具有颗粒分散均匀、晶粒细小以及高强韧性能。

对于机械合金化法，欧盟TITANOX DEV LTD公司（EP98941944A、US20000485876A、CA2301103A）将陶瓷颗粒通过机械合金化方法制备钛基复合材料，提高了合金的力学性能;欧盟UNIV DRESDEN TECH公司（DE102006005225A）于2006将TiC颗粒通过机械合金化方法制备钛基复合材料，提高了合金的耐磨和力学性能。2017年重庆大学（CN201710008243）制备TiC增强钛基复合材料，提高了材料的抗压缩性、抗腐蚀性以及耐磨性能。

对于自蔓延高温合成法，2006年中国宁波浙东精密铸造有限公司（CN200610053348）将合金粉通过自蔓延高温合成法制备，具有优良的耐磨性和抗冲击的能力。2008年北京有色金属研究总院（CN200810114342、CN201110352107）采用激光熔化沉积同步输送的钛合金粉末，与TiC、B4C、Cr3C2中的一种或几种，以及Cr、V、Mo中的一种或几种颗粒的混合粉末，制备得到钛基复合材料具有高的室温塑性、强度和低周疲劳性能。2011年，LIBURDI ENG LTD公司（CA2735302A）通过激光熔覆沉积制备颗粒增强钛合金，具有较高的强化效果。

对于增强相，美国MCDOWELL CO公司（US19820350276）使用碳化物、硼化物作为增强相，日本UBE IND LTD公司（JP23245784A）于1984年申请专利的增强相为单质Si3N4，钛坦諾克斯发展有限公司（CN98808288）在1998年采用的增强相为氧化铝，2009年中南大学（CN200910311943）使用Mo2C或VC作为增强相，2012年重庆大学（CN201210368564）使用Er2O3作为增强相。

4 技术趋势预测

我国对颗粒增强钛基复合材料的研究热度不断增加，目前专利申请主要集中在高校，但研究起步较晚，虽取得了一定成绩，但与国外相比还有一定差距。这些技术大多还处于实验室阶段，距离工业产业化还有一定距离。

参考文献：

[1]于兰兰，毛小南，赵永庆，等.颗粒增强钛基复合材料研究新进展[J].稀有金属快报，2006（4）：5-9.

[2]张二林，朱兆军，曾松岩.自生颗粒增强钛基复合材料的研究进展[J].稀有金属，1999（6）：436-442.

[3]施雪军，闫荣学，杜祥祥，等.环氧树脂/活性炭复合材料的力学与隔声性能[J].平顶山学院学报，2021（2））：33-38.

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