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10级金属（1）班

刘超凡

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钛基复合材料的应用

在现有的基础上提高高温钛合金的使用温度存在着较大的困难，难以满足日益

苛刻的综合性能要求。于是，钛合金向钛材料的新一族——钛基复合材料(TMCs)发

展的转移趋势也应运而生。近年来，由于其相对钛合金更为优异的综合性能，钛基复

合材料引起人们广泛关注。

目前，钛基复合材料最重要、最有潜力的应用领域之一是在航空航天结构材料

以及航空航天发动机材料。为提高高温钛合金的性能及使用温度，钛基复合材料应

该具有高比强度、高比模量，更为重要的是，应在高温条件下有高的强度、优异的抗

蠕变性能、可靠的热稳定性、抗氧化性以及高的疲劳强度。为争夺钛材料的技术

和市场优势，世界各国纷纷开始进行了钛合金复合材料的开发研究。

钛基复合材料是指在钛或钛合金基体中植入刚硬陶瓷增强体的一种复合材料。

它把金属的延展性、韧性与陶瓷的高强度、高模量结合起来，从而获得了更高的剪切

强度和压缩强度以及更好的高温力学性能。TMCs极具吸引力的物理性能和力学性

能，诸如高模量、高强度、抗氧化，已经许多研究证明。

钛基复合材料的研究开始于70年代，在80年代中期，美国航天飞机(NASP)

和整体高性能涡轮发动机技术(IHPTET)以及欧洲、日本的同类发展计划的实施推动

了钛基复合材料的发展。例如美国Dynamet技术公司开发的CermeTi系列TiC/Ti-

6Al-4V复合材料，用作半球形火箭壳、导弹尾翼和飞机发动机零件。日本丰田公司

利用粉末冶金法制备了TiB短纤维增强Ti-7Mo-4Fe-2Al-2V复合材料，成功应用在

丰田引擎中，作为进气、出气阀的材料。在航天航空、军用和民用领域获得实际应

用，体现出研究和开发钛基复合材料的重要价值。

钛基复合材料主要分为两大类：连续纤维增强钛基复合材料和颗粒增强钛基复

合材料。早期研究的主要领域是以碳化硅纤维增强的钛基复合材料，可显著提高基

体合金的机械性能，但纤维增强钛基复合材料受到以下几个因素的制约：碳化硅纤

维价格昂贵、加工工艺复杂、各向异性。此外，钛基复合材料中SiC纤维与钛基体

热膨胀系数相差较大，容易在制备和服役过程中产生较大的热应力，且在高温条件

下与钛基体发生界面反应而生成TiCx、Ti5Si3(C)等产物，严重影响复合材料的性

能。上述几个因素严重地限制了连续纤维增强钛基复合材料的应
最近，以外加或原位生成的非连续增强钛基复合材料因其制备和加工工艺与钛

合金相似，成本与钛合金材料接近，可望在航空航天和军工领域的许多高温结构中

获得实际应用。低密度、高模量和高强度的陶瓷颗粒或短纤维加入钛合金基体中，

可显著提高材料的比模量、比强度和蠕变性能，进一步提高它的使用温度，以满足

高温钛合金不断发展的需要。因此，非连续增强钛基复合材料是目前的重要研究方

向。此外，陶瓷增强相可显著提高基体合金的耐磨性，结合钛合金耐腐蚀的优

点，满足航空航天和军工领域对材料耐磨、耐蚀的要求。

近年来,TMCs的发展虽然很快,但仍是一种新型昂贵的材料并尚处于发展之

中，尤其是冷战结束以后,由于缺乏对宇航、军事项目长期巨额资金的支持,使

TMCs的研究与发展开始降温，其目标转向工程应用,发展低成本颗粒增强的钦基

复合材料成为当今一种重要趋势。

（一）不连续纤维钛基增强复合材料形变与断裂

复合材料与基体合金的蠕变应力指数和激活能是一致的,这意味着复合材料蠕

变机制与基体合金是相同的在低应力阶段,激活能与Ti的自扩散激活能相近,应

力指数与错位攀移控制蠕变应力指数一致,错位结构也是典型的,形成了胞状结

构，因此可以肯定,在低应力阶段,复合材料与基体合金一样,蠕变由错位攀移速

率控制。从金相观察发现在高应力阶段,界面空洞较多,因此,可以认为界面损失

是高应力阶段蠕变的控制因素。颗粒和晶须大量自身开裂,也发生大量界面开裂基

体合金呈晶蠕变断裂形貌,而复合材料的集体呈穿晶韧窝断裂形貌。

二）连续纤维增强钛基复合材料

2.1用于增强钛合金的连续粗纤维在钛基复合材料目前常采用的三种增

强体类型中,连续粗纤维增强方式在力学性能方面显示出特有的优越性,与颗粒、

晶须或短纤维增强相比,它同时兼有高的刚性，高的强度和高的韧性,在未来高性

能飞机、航空发动机和航天飞机

上有着广阔的应用前景
纤维/钛合金中的增强组元纤维是承受外界载荷的主体在给定纤维含量的情况

下,粗纤维可以增加其间的距离,从而有利于降低纤维在高温复合固结过程中产生

径向裂纹倾向和充分发挥铁基体的韧性作用。目前化学气