钛基复合材料可分为连续纤维增强钛基复合材料和颗粒增强钛基复合材料。纤维增强钛基复合材料由于制备成本高,工艺复杂,成形困难,使其发展及应用受到限制。与之相比,颗粒增强钛基复合材料具有各向同性的性质,并且制备成本较低,制造方法简单,易于制造形状复杂的零件,因此具有更为广泛的市场应用前景。颗粒增强钛基复合材料的主要制备方法有熔铸法和粉末冶金法。熔铸法最主要的缺点是所制备的合金容易出现成分、组织偏析和晶粒粗大。粉末冶金是一种近净成形工艺,材料利用率高,可以消除组织和成分偏析,而且颗粒增强相的粒度和体积分数可以在较大的范围内进行调整,通过合理选择制备工艺能够制备出高性能、低成本的钛基复合材料。为此,粉末冶金技术在实现颗粒复合时具有明显的优势。.
传统的粉末冶金工艺制备钛基复合材料是将陶瓷粉末和金属粉末进行混合,然后进行冷等静压制加真空烧结,或者直接进行热等静压,这些工艺的主要缺点是即使在高温下,热动力学稳定的陶瓷增强相很难与钛合金基体形成良好的化学和冶金结合,因而所制备的复合材料综合力学性能达不到要求。
近年来迅速发展起来的原位合成法因其工艺简单、合成的材料性能优异,在技术上和经济上可行,故已经引起人们的广泛兴趣。与传统的制备工艺相比,原位合成的主要优点是,增强相是在材料制备的过程中通过原料之间发生化学反应合成的,因而增强相和基体之间的界面上没有杂质存在;而且由于增强相和基体之间的热膨胀系数不同所引起的内应力可以通过基体的塑性变形得到释放,或者通过在基体中添加合适的合金元素使得基体和增强相之间的热膨胀系数得到很好的匹配。
因此,颗粒增强钛基复合材料粉末冶金制备法的发展方向是与原位合成方法结合起来。目前综合粉末冶金与原位合成双重优势的粉末冶金原位合成法制备颗粒增强钛基复合材料的工艺已成为研究重点,受到研究者们的广泛重视。
日本Toyota公司将Ti粉、B粉及合金粉混合均匀,然后经过成形、烧结、热等静压制成钛基复合材料(TiB/Ti-6Al-4Sn-4Zr-1Nb-1Mo-0.2Si)。利用加入的B粉与Ti粉发生反应生成增强颗粒TiB。该复合材料的拉伸性能、疲劳性能及蠕变性能优越,均可以与21-4N钢相媲美。该材料在1998年成功地用于丰田跑车系列发动机的阀门。另有工作报道,经热等静压烧结压实的Ti粉和TiB2粉发生化学反应合成针状的TiB,随机分布在钛基体中成为增强相。用此方法可以制备不同体积分数TiB颗粒增强的钛基复合材料。由于不存在界面反应,复合材料界面结合良好,表现出较好的高温稳定性。