顆粒增強鈦基復合材料專利技術

陳帥 楊文昭

摘 要：鈦基復合材料與其他的結構材料相比，具有更高的比強度。本文主要對制備顆粒增強鈦基復合材料的工藝進行研究分析，以分類號和關鍵詞為檢索入口，利用中文摘要專利數據庫CNABS和外文摘要專利數據庫VEN進行檢索，對其專利技術演進和發展進行梳理和統計分析，并對該技術未來的發展進行分析和預測。

關鍵詞：鈦合金;顆粒增強;專利

中圖分類號：TB33;G306 文獻標識碼：A 文章編號：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 研究背景介紹

隨著科學技術的日新月異，鈦基復合材料因其優異的性能，已成為當前研究的新熱點。鈦基復合材料為技術強國重視的材料類型，專利申請量逐年增加，如圖1和圖2所示。鈦基復合材料為鈦合金的重要組成部分，因其成本高和制造難度大，限制了纖維增強的鈦基復合材料的廣泛使用。顆粒增強因其低成本、具有良好的力學性能，越來越受到人們的關注[1-3]。

2 復合材料的制備工藝

2.1 粉末冶金法

粉末冶金技術是本領域常用工藝，具有良好的發展前景。混料、壓制、燒結致密化為粉末冶金常見工藝流程，可在較低的溫度下制備致密化、顆粒分布均勻的復合材料[1]。

2.2 機械合金化法

機械合金化法是一種高能球磨工藝，可以減小擴散激活能，改變合金化的動力學和熱力學性能，從而制備得到普通工藝難以得到的很多高性能材料。

2.3 熔煉鑄造工藝

熔煉鑄造法生產成本低、工序簡單，可制備構型復雜的鑄件，但存在成分分布不均勻、晶粒粗大等缺陷[2]。

2.4 其他工藝

自蔓延高溫合成工藝是制備金屬間化合物和金屬陶瓷的新方法。

激光熔覆法是指通過高能激光束掃過表面涂有各種合金成分的鈦合金表面，在鈦合金表面形成局部熔池并快速冷卻的方式制備TiC或其他顆粒增強的鈦基復合材料層的方法。

3 專利技術演進和發展

目前，已有許多科研機構、高校、企業對復合材料的制備工藝技術進行了研究[1]。本文以中國專利文摘數據庫CNABS和世界專利文摘數據庫組成的虛擬數據庫VEN作為檢索數據庫，對全球顆粒增強鈦基復合材料的專利技術進行分析，得出該技術的發展方向及趨勢，對該技術現實的技術發展方向具有一定的引導和借鑒意義。圖3給出了不同制備方法和增強相的技術脈絡圖，分析各個制備方法和增強相的技術脈絡。

對于粉末冶金法，日本SAITO S公司（JP23040984A）在1984年首先將TiC通過粉末冶金制備工藝加入到鈦合金中，提高了復合材料的力學性能;美國DYNAMET TECHNOLOGY INC（US19850704263A）先是通過粉末冶金的方法將TiC加入鈦合金，提高了復合材料的硬度、彈性模量及耐磨性能，繼而通過添加TiC、TiB2及TiB的方式來改善復合材料的力學性能;日本KOBAYASHI K（JP11670695A）和MITSUBISHI MATERIALS CORP（JP24537395A）公司分別通過加入TiB的方式，提高復合材料的硬度、耐蝕、彈性模量及耐磨性能。進入21世紀后，中國的申請量逐漸增加，哈爾濱工業大學（CN200510010381）由Ti基體、TiB和TiC增強相組成復合材料;上海交通大學（CN200710046913）先采用粉末冶金法將Re2O3、TiB和TiC顆粒加入到鈦合金中提高合金的熱強性、焊接性、韌性和加工性能，隨后將TiB+La2O3（CN201510067811）加入到鈦合金中改善合金韌性，將TiC、TiB2或石墨烯（CN201610128648）加入到鈦合金中提高合金的致密度;中國兵器工業第五二研究所（CN201110440775）將石墨粉加入鈦合金中改善了合金的均勻性[3]。

對于熔煉鑄造法，美國MCDOWELL CO公司（US19820350276）于1982年將碳化物和硼化物通過熔煉鑄造工藝制備復合材料提高了材料的力學性能;日本SUMITOMO METAL公司（JP12088790A）先是用TiC、TiB2、TiB增強鈦合金的耐腐蝕性、耐磨性、硬度，隨后用TiC增強鈦基復合材料的耐磨和力學性能（JP7330591A）;上海交通大學（CN200710042304）先采用TiB顆粒加入到鈦合金中提高合金的耐熱性能，隨后將TiB和TiC（CN200810202298）加入到鈦合金中改善合金強度及彈性模量;太原理工大學（CN201610400807）制備了TiB2、Y2O3顆粒增強復合材料，具有顆粒分散均勻、晶粒細小以及高強韌性能。

對于機械合金化法，歐盟TITANOX DEV LTD公司（EP98941944A、US20000485876A、CA2301103A）將陶瓷顆粒通過機械合金化方法制備鈦基復合材料，提高了合金的力學性能;歐盟UNIV DRESDEN TECH公司（DE102006005225A）于2006將TiC顆粒通過機械合金化方法制備鈦基復合材料，提高了合金的耐磨和力學性能。2017年重慶大學（CN201710008243）制備TiC增強鈦基復合材料，提高了材料的抗壓縮性、抗腐蝕性以及耐磨性能。

對于自蔓延高溫合成法，2006年中國寧波浙東精密鑄造有限公司（CN200610053348）將合金粉通過自蔓延高溫合成法制備，具有優良的耐磨性和抗沖擊的能力。2008年北京有色金屬研究總院（CN200810114342、CN201110352107）采用激光熔化沉積同步輸送的鈦合金粉末，與TiC、B4C、Cr3C2中的一種或幾種，以及Cr、V、Mo中的一種或幾種顆粒的混合粉末，制備得到鈦基復合材料具有高的室溫塑性、強度和低周疲勞性能。2011年，LIBURDI ENG LTD公司（CA2735302A）通過激光熔覆沉積制備顆粒增強鈦合金，具有較高的強化效果。

對于增強相，美國MCDOWELL CO公司（US19820350276）使用碳化物、硼化物作為增強相，日本UBE IND LTD公司（JP23245784A）于1984年申請專利的增強相為單質Si3N4，鈦坦諾克斯發展有限公司（CN98808288）在1998年采用的增強相為氧化鋁，2009年中南大學（CN200910311943）使用Mo2C或VC作為增強相，2012年重慶大學（CN201210368564）使用Er2O3作為增強相。

4 技術趨勢預測

我國對顆粒增強鈦基復合材料的研究熱度不斷增加，目前專利申請主要集中在高校，但研究起步較晚，雖取得了一定成績，但與國外相比還有一定差距。這些技術大多還處于實驗室階段，距離工業產業化還有一定距離。

參考文獻：

[1]于蘭蘭，毛小南，趙永慶，等.顆粒增強鈦基復合材料研究新進展[J].稀有金屬快報，2006（4）：5-9.

[2]張二林，朱兆軍，曾松巖.自生顆粒增強鈦基復合材料的研究進展[J].稀有金屬，1999（6）：436-442.

[3]施雪軍，閆榮學，杜祥祥，等.環氧樹脂/活性炭復合材料的力學與隔聲性能[J].平頂山學院學報，2021（2））：33-38.

3085500338253