本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其涉及一種以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
1、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，輕量化材料的需求日益增加，特別是在汽車、航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的金屬材料雖然具有優(yōu)良的機(jī)械性能，但其密度較大，限制了其在輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，研究人員逐漸轉(zhuǎn)向了輕質(zhì)高強(qiáng)度復(fù)合材料的研究和開發(fā)。
2、鈦合金具有較低密度、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫等特點，已成為多個領(lǐng)域所需要的重要結(jié)構(gòu)材料之一。鋁及其合金具有密度低、易于加工和塑性較好等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料之一。鈦鋁復(fù)合材料能夠充分發(fā)揮兩種輕金屬的優(yōu)異性能，有望成為一種高比強(qiáng)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。目前，傳統(tǒng)鈦鋁復(fù)合材料一般采用非連續(xù)的鈦顆粒、鈦纖維等作為增強(qiáng)相。但其組織結(jié)構(gòu)難于進(jìn)行精確設(shè)計和控制，缺乏有序的組織結(jié)構(gòu)和有效的強(qiáng)韌化匹配，難以有效地提升材料的力學(xué)性能。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明提供的以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料在兼具高強(qiáng)度和高韌性的同時，實現(xiàn)了強(qiáng)度與韌性之間的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，從而優(yōu)化了材料的綜合力學(xué)性能。
2、為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：
3、本發(fā)明提供了一種以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料，包括鋁基體和鈦合金骨架增強(qiáng)相；所述鈦合金骨架增強(qiáng)相具有多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔結(jié)構(gòu)為密排分布的圓柱狀貫穿孔；所述鋁基體填充于所述圓柱狀貫穿孔中；所述以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料中鈦合金骨架增強(qiáng)相的體積百分比為30～80％。
4、優(yōu)選地，所述圓柱狀貫穿孔的孔徑為0.5～2.5mm，相鄰孔的間距為0.5～1mm。
5、優(yōu)選地，所述鈦合金骨架增強(qiáng)相的材質(zhì)為ti-6al-4v鈦合金。
6、本發(fā)明還提供了上述技術(shù)方案所述以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
7、(1)將鈦合金粉末進(jìn)行三維立體打印，得到鈦合金骨架；
8、(2)將金屬鋁置于所述步驟(1)得到的鈦合金骨架上方，使所述鈦合金骨架的圓柱狀貫穿孔呈豎直方向，然后進(jìn)行真空無壓浸滲熱處理，得到以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料。
9、優(yōu)選地，所述步驟(1)中鈦合金粉末的粒徑為15～53μm。
10、優(yōu)選地，所述步驟(2)中鈦合金骨架增強(qiáng)相在使用前進(jìn)行真空熱處理。
11、優(yōu)選地，所述真空熱處理的真空度為≤10-3pa，真空熱處理的溫度為750～850℃，真空熱處理的保溫時間為2～4h。
12、優(yōu)選地，所述步驟(2)中真空無壓浸滲熱處理的真空度為≤10-3pa，真空無壓浸滲熱處理的溫度為680～720℃，真空無壓浸滲熱處理的保溫時間為45～75min。
13、優(yōu)選地，升溫至所述真空無壓浸滲熱處理溫度的速率為5～10℃/min。
14、優(yōu)選地，所述真空無壓浸滲熱處理的冷卻速率為5～10℃/min。
15、本發(fā)明提供了一種以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料，包括鋁基體和鈦合金骨架增強(qiáng)相；所述鈦合金骨架增強(qiáng)相具有多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔結(jié)構(gòu)為密排分布的圓柱狀貫穿孔；所述鋁基體填充于所述圓柱狀貫穿孔中；所述以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料中鈦合金骨架增強(qiáng)相的體積百分比為30～80％。本發(fā)明基于仿牙釉質(zhì)的柱狀微觀結(jié)構(gòu)特征(牙釉質(zhì)由96％的硬組織(羥基磷灰石)材料和4％的軟組織(蛋白質(zhì)和水)材料組成，并呈現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu))，采用多孔結(jié)構(gòu)的鈦合金骨架作為增強(qiáng)相，并限定多孔結(jié)構(gòu)為密排分布的圓柱狀貫穿孔可以優(yōu)化復(fù)合材料的強(qiáng)度與輕量化，分散應(yīng)力集中，提高比強(qiáng)度和比剛度，柱狀孔結(jié)構(gòu)提升了復(fù)合材料的能量吸收能力和抗沖擊性，有效避免了局部應(yīng)力集中，同時增強(qiáng)了多向承載能力；通過在多孔結(jié)構(gòu)中填充鋁基體，為復(fù)合材料提供了優(yōu)異的韌性；通過調(diào)整以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料中鈦合金骨架增強(qiáng)相的含量，進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合材料的強(qiáng)度與韌性。實施例結(jié)果表明，本發(fā)明提供的以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可達(dá)到811mpa，斷后延伸率可達(dá)到10.3％，彎曲強(qiáng)度可達(dá)到1491mpa，斷裂韌性可達(dá)到47mpa·m1/2，具有高強(qiáng)度和高韌性，實現(xiàn)了鋁基仿生復(fù)合材料強(qiáng)度和韌性之間的高度平衡。
1.一種以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料，包括鋁基體和鈦合金骨架增強(qiáng)相；所述鈦合金骨架增強(qiáng)相具有多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔結(jié)構(gòu)為密排分布的圓柱狀貫穿孔；所述鋁基體填充于所述圓柱狀貫穿孔中；所述以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料中鈦合金骨架增強(qiáng)相的體積百分比為30～80％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料，其特征在于，所述圓柱狀貫穿孔的孔徑為0.5～2.5mm，相鄰孔的間距為0.5～1mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料，其特征在于，所述鈦合金骨架增強(qiáng)相的材質(zhì)為ti-6al-4v鈦合金。
4.權(quán)利要求1～3任一項所述以鈦合金為骨架增強(qiáng)相的鋁基仿生復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中鈦合金粉末的粒徑為15～53μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中鈦合金骨架在使用前進(jìn)行真空熱處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述真空熱處理的真空度為≤10-3pa，真空熱處理的溫度為750～850℃，真空熱處理的保溫時間為2～4h。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中真空無壓浸滲熱處理的真空度為≤10-3pa，真空無壓浸滲熱處理的溫度為680～720℃，真空無壓浸滲熱處理的保溫時間為45～75min。
9.根據(jù)權(quán)利要求4或8所述的制備方法，其特征在于，升溫至所述真空無壓浸滲熱處理溫度的速率為5～10℃/min。
10.根據(jù)權(quán)利要求4或8所述的制備方法，其特征在于，所述真空無壓浸滲熱處理的冷卻速率為5～10℃/min。