CN1121359A - 钛基复合材料 - Google Patents

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Abstract

一种具有共晶形成钛合金增强相的钛基复合材料，该复合材料含有硅、铝、锆、锰、铬、钼、碳、铁、硼、钴、镍、锗、和铜中的至少二种元素。
一种具有共晶形成钛合金增强相的钛基复合材料，该复合材料含有硅、铝、锆、锰、铬、钼、碳、铁、硼、钴、镍、锗、和铜中的至少二种元素。

Description

钛基复合材料
本发明一般涉及其中具有共晶形成的钛合金增强的高硅含量钛基复合材料，更具体地是涉及具有至少含硅、铝、锆、锰、铬、钼、碳、铁和硼中的两种元素的共晶形成的钛合金增强的高硅含量钛基复合材料。
钛基的金属基复合材料用于高负荷支承用途，例如用于飞机和高压缩柴油机部件。作为增强部分在这些复合材料中优先使用陶瓷材料。这些金属陶瓷复合材料大多需要如低密度、高抗拉强度、高抗断裂性、高温稳定性和低导热性这些性质。金属陶瓷复合材料保持各组分材料最需要的性能，即陶瓷的低密度、低导热性和高温稳定性，金属的高抗拉强度和高抗断裂性。当适当复合时这些金属基陶瓷复合材料拥有组分材料两者的最好性能。要使金属基陶瓷复合材料达到最佳性能，合金的处理条件和为尺寸稳定的合金热循环处理必须小心进行。
其他人已建议了许多钛金属复合材料。发明人证书USSRSS6191中Glazunor等人公开了一种广泛使用的钛复合材料Ti-6A1-4V。Glazunor等人进一步公开了另一种复合材料Ti-5.5A-2Srl-2Zr-4.5v-2Mo-1.5Cr-0.7Fe-0.2Cu-0.2C。该合金的抗拉强度接近1400MPa，而相对延伸率接近10％。
欧洲专利申请EP0243056中Barber公开了钛基合金及制造这种合金的方法。Barber公开的该钛基复合材料是Ti-7AI-7Zr-2Mo-10Ge。Barber还公开了一种钛基合金，它基本组成为AI5.0-7.0％，Zr2.0-7.0％，Mo0.1-2.5％，Ge0.01-10.0％，任选一种或几种下列元素，Sn2.0-6.0％，Nb0.1-2.0％，CO-0.1％和Si0.1-2.0％，佘量Ti。必须注意在Barber的复合材料中Mo和Ge是两种必需的元素。
美国专利No.4915903中Brupbacher等人，美国专利No.4195904中Christodoulou和美国专利中Kampe等人公开了一种在含钛铝化物的金属基复合材料中稳定硅化钛颗粒的工艺。虽然这些专利指出必需存在锆以稳定硅化钛，防止其溶入基体，而硅化钛相在钛铝化物基体中，不在钛基体中，这些专利进一步提出硅化钛颗粒在钛环境中非常不稳定。
发明人证书USSR 1501170中Mazur等人公开了一种钛复合材料，它含有Mo2.0-7.0％，Al2.0-5.0％，Si4.0-8.0％和Mn0.5-1.5％。
Crossman等人公开了含10％Zr和8％Si的钛复合材料(Metallurgical Transactions，1971，Vol.2，No.6，P.1545-1555)。Crossman等人使用感应熔炼和电子束熔炼技术生产了单向凝固共晶复合材料，它含有7.7％(体积)TiB和31％(体积)Ti5Si3增强纤维。但是Ti-10Zr-8Si的机械性能没有报道。
Zhu等人研究了钛-硅基合金中的硅化物相(MaterialScience and Technoloqy，1991，Vol.7，No.9，P.812-817)。Zhu等人研究了铸造钛合金Ti-4.0Si-5.0Al-5.0Zr中硅化物晶格参数的分布、类型、组成。Zhu等人没有研究任何含大于4％硅的钛复合材料。
Flower等人研究了许多马氏体钛-硅合金，三元合金和含锆和铝的更复杂合金中的硅化物沉淀(Metallurgical Transactions，1971，Vol.2，No.12，P3289-3297)。在含锆和铝的钛复合材料中，研究的最大硅含量为1.0％。
Horimura在日本专利公开说明书3-219035中公开了一种用作高强结构材料的钛基合金，其组成(原子％)为Ti40-80％，Al2-50％Si0.5-40％，和至少Ni、Co、Fe、Mn或Cu中一种为2-50％。
从而本发明的一个目的是克服现有技术所用钛复合材料的各种缺点。
本发明的另一个目的是提供一种其中具有共晶形成钛合金增强的钛基复合材料。
本发明还一个目的是提供一种其中含大于9％(重量)硅的具有共晶形成钛合金增强的钛基复合材料。
本发明进一步的目的是提供一种含有钛基固熔体和钛合金增强相的钛基复合材料。
本发明另一个目的是提供一种其中具有共晶形成钛合金增强的，而合金元素选自Si、Ge、Al、Zr、Mo、Cr、Mn、Fe、B、Ni、C和N的钛基复合材料。
本发明还一个目的是提供一系列结合高抗拉强度和高抗断裂性的钛基体以及低密度和低导热性的钛-陶瓷增强的钛基复合材料，这样，该复合材料具有两组分的最好性能。
本发明的进一步的目的是提供一种使钛基复合材料性能达到最佳化的方法，该复合材料其中具有晶形成钛合金，它含有Ti、Si、Al和至少一种元素选自Zr、Mo、Cr、C、Fe和B，该方法是在800-1020℃温度之间对复合材料进行热循环经最少30循环周期。
本发明针对新的钛基固溶体和钛-陶瓷合金增强相的金属基复合材料。合金元素可选自Si、Ge、Al、Zr、Mo、Cr、Mn、Fe、B、Ni、C和N。Si含量可直到20％(重量)，Zr含量可直到15％(重量)，Mo、Cr、Fe和B含量可直到4％(重量)，Al、Ge、Mn和Ni含量可直到35％(重量)，而C和N含量可直到1％(重量)。该新的金属基复合材料可通过一种或多种方法生产，象铸造、颗粒或粉末冶金、或自燃合成。如果需要，可将该金属基复合材料热循环处理以达到最佳性能。
该钛基的金属基复合材料适用于高负荷支承用途，例如用于涡轮机和高压缩柴油机的部件。该钛基的金属基复合材料改进了高温强度、耐磨性和在恶劣环境中的热稳定性，又结合了所需的陶瓷组分的性能，如低密度和低导热性。该新的钛基的金属基复合材料还具有高的抗断裂性和优越的抗蠕变性。在本发明一个优选的实施方案中，一种其中具有共晶形成钛合金增强的钛基复合材料可用约9-约20％(重量)的硅制造。在另一个本发明优选的实施方案中，一种其中具有共晶形成钛合金增强的钛基复合材料不含钼，可用约4.5-约20％(重量)的硅配制。在本发明又一个优选的实施方案中，一种其中具有共晶形成钛合金增强的钛基复合材料不含钼和锆，可用约2-约20％(重量)的硅配制。在本发明进一步优选的实施方案中，一种其中具有共晶形成钛合金增强的钛基复合材料不含锰，可用约4.5-约20％(重量)的硅配制。
本发明还针对一种使其中具有共晶形成钛合金增强的钛基复合材料性能达到最佳化的方法，该复合材料含Ti、Si、Al和至少一种元素选自Zr、Mo、Cr、C、Fe和B。该方法包括将复合材料放置入温度在约650-约850℃之间的第一炉中进行预定时间的热循环，在第一炉中预定时间后将复合材料取出，此后立即将复合材料放入温度在约920-约1070℃之间的第二炉中经预定的时间，在预定时间后从第二炉中取出复合材料，重复足够多次数的热循环，使得复合材料中的所有亚稳相分解。
本发明的其它目的，特色和优点在说明书和附图中变得很明显，其中：
图1表示合金结构的示意图，(a)现有技术工业性钛合金，(b)本发明共晶形成的含棒状增强的钛合金，以及(c)本发明共晶形成的含层状增强的钛合金。
图2是硬模铸造的棒和毛坯的照片，(a)直径55mm棒，(b)汽缸毛坯和发动机活塞零件，和(c)涡轮机毛坯。
图3是试验前(a)和试验后(b、c和d)柴油机汽缸和活塞零件的照片。
图4是快速凝固金属/陶瓷材料的(a)球形颗粒和(b)片状颗粒的显微照片(50X)。
图5是表示本发明Ti-Si-Al-Zr复合材料断裂韧性随温度变化的曲线图。
图6是表示Ti-Si-Al-Zr复合材料的断裂韧性随锆和硅之间的组合比变化的曲线图。
图7是表示硅化钛中合金元素分布的显微照片(1000X)，(a)用二次电子得到的显微照片，(b)用特征Sik(α)辐射得到的显微照片，和(c)用特征ZrK(α)辐射得到的显微照片。
图8是表示由(a)自燃合成和(b)硬模铸造生产的复合材料的显微照片(500X)。
图9是表示(a)铸态和(b)在1020-800℃之间热循环150周期热处理复合材料的显微照片(500X)。
按照本发明优选的实施方案，钛基金属基体复合材料可通过选择至少两种下列合金元素：Si、Ge、Al、Zr、Mo、Cr、Mn、Fe、B、Ni、C和N构成钛基固溶体和钛合金增强相而形成，希望Si含量直到20％(重量)，而Zr含量直到15％(重量)，Mo、Cr、Fe和B含量直到4％(重量)，Al、Ge、Mn和Ni含量直到35％(重量)，而C和N含量直到1％(重量)。
选择新钛基金属基复合材料的主要组分，以使钛合金的增强相在共晶反应时同时或接连钛相沉淀凝固。一种或多种增强相可从熔融金属中析出，以构成一个相当大的总合金体积部分，从而显著地有助于复合材料的全部性能。
这些性能包括，但不限于，高抗拉强度、高韧性与重量比、高耐热性、高断裂强度、在恶劣环境中的高热稳定性、低密度和低导热性。
人们发现通过调节α和/或β稳定剂量控制α与β钛体积比和用各种强化元素使α和β固溶体合金化可使合金强化。当以少量存在时，这些强化元素可完全溶于钛基固溶体中。但是，当含量超过各自的溶解度界限时，强化相主要沉淀在晶界和相界。这示于图1(a)。这些沉淀提高材料强度和耐高温性，但在一些情况下，损害复合材料的塑性和断裂韧性。
人们还发现有一大类钛基合金，其中较大量合金元素导致与沉淀工艺不同的增强相形成新机制。在这些合金中，增强相或与β-钛同时凝固形成，或在β-钛结晶后凝固形成。这称为共晶凝固工艺，这些其组成使得在其中发生共晶反应的合金被称为共晶型合金。
当增强相的体积部分足够大时，共晶型合金可具有新的独特的在工业合金中没有发现的使用性能。这些新的改进的性能起因于形成特殊结构的高强度棒或薄片增强相。这些棒或薄片示于图1(b)和1(c)。当这些高强棒或薄片分布在塑性钛基体中时，钛基体的性能大大改善。这些共晶形成的合金不同于通常制造的复合材料，这些复合材料中其组织是在熔体凝固过程中以所谓就地形成而形成的。这些就地复合材料在其制造过程中具有简单和成本低的好处。
这些高合金化共晶钛合金的小缺点是在低的连续的中温范围内其强度和塑性不如别的工业合金好。这是高体和百分数(20-60％)的高强度、低塑性增强相，如硼化物，金属间化合物或硅化物的结果。但是，在600℃以上的高温范围中，这些共晶型合金显示出优越的性能。
我们还发现在低温的塑性可通过共晶复合材料的最佳合金化来改进。例如，通过合成厚度更小的棒和薄片和减少共晶合金中的空隙可改进塑性。这提供一种与减少玻璃棒的直径所观察到的相似的作用，即当玻璃棒具有一厘米直径时，它是脆的，而直径0.001厘米的玻璃细丝是塑性的。
本发明的实验方法如下：用非消耗渣水冷铜石墨坩埚感应炉在氩气氛下，用双电子来重熔装置，在氩气氛下的电渣重熔装置或在氩气氛下的无坩埚磁悬浮感应炉进行冶炼。用铸锭制备金相、物理和化学研究，以及力学试验所用的试样。
也试验了柴油机汽缸和活塞零件毛坯。这些硬模铸造的棒和毛坯示于图2。在一些情况下，将直径55mm长700mm的棒用金属或石墨模铸造，进一步重熔并快速凝固。
烧结合金由球形或片状颗粒或由旋转粉化(其中旋转棒端直径为55mm)制备的粉末来生产，在氩气或氦气氛下通过等离子体加热来熔炼烧结合金，图3是显示柴油机汽缸和活塞零件的照片，(a)试验前，(b、c和d)试验后。图4是显示快速凝固的钛基复合材料的球形(a)和片状(b)颗粒的显微照片(50X)
制备下列复合材料体系，Ti-Al、Ti-Si、Ti-Zr、Ti-Si-Al、Ti-Si-Zr、Ti-Al-Mn、Ti-Si-Al-Zr、Ti-Si-Al-Mn、Ti-Si-Al-Fe、Ti-Si-Al-Zr-Mn、Ti-Si-Al-Zr-Ge(或V)、Ti-Si-Al-Cr-Mo、Ti-Si-Al-Mn-Fe、Ti-Si-Al-Zr-Fe、Ti-Si-Al-Zr-Mo、Ti-Si-Al-Zr-N、Ti-Si-Al-Mn-C、Ti-Si-Al-Mn-Zr-Fe、Ti-Si-Al-Cr-Mo-Fe、Ti-Si-Al-Zr-Cr-Mo、Ti-Si-Al-Zr-Cr-Mo-B、Ti-Si-Al-Mn-Cr-Mo-Fe。
将制备的试样经受一系列力学试验。进行的第一个试验是合金的热稳定性试验或抗氧化试验。抗在恶劣环境下高温气体冲击是用在高温环境中的结构材料的最重要的使用性能之一。
为测定合金元素对钛基复合材料的耐热性的作用，制备四个系列的试样。它们包括二元系统的Ti-Al、Ti-Si和Ti-Zr、三元系统的Ti-Al-Mn、Ti-Si-Al和Ti-Si-Zr、四元系统的Ti-Si-AlrZ并且也制备了更复杂的合金，如Ti-Si-Al-Mo，使与基本材料氮化硅(Si3N4)比较。
通过在氩气气氛中用磁悬浮法无坩埚熔炼制备试样。通过连续测量放入有氧化气氛的竖炉中试样的增重确定耐热性。用高精度温度调节器控制炉温。炉温误差在±7℃之内。试验在700、800和950℃进行25小时。不同的合金组成在950℃的增重速率数据示于表1。组成1-6和Si3N4示出为比较目的，不是本发明部分。可看到二元、三元和五组分合金具有不令人满意的耐热性。四元复合材料Ti-Si-Al-Zr，它至少含6％的Si，与Si3N4陶瓷材料比较它在950℃的增重速率合适。在试样中观察到最耐热的材料是Ti-10Si-7Al-7Zr复合材料。我们相信该合金具有大体积百分数的共晶形成相Ti5Si3，Ti5Si3具有优越的抗高温氧化性。
对钛金属基复合材料进行的第二种力学试验是断裂韧性试验。材料在动态和冲击载荷使用的适用性一般由其断裂韧性值确定。在高温试验仪中使用带直或V-形缺口的方棒试样进行简单三点弯曲试验。使用的试样尺寸为42×7.5×5mm。图5示出了几种复合材料的断裂韧性作为温度函数的三条曲线。工业钛合金断裂韧性随温度的升高连续地降低，与之相比，钛基复合材料在600-700℃温度范围断裂韧性提高。硅含量比较高时的Ti-6.2Si-5.4Al-6Zr复合材料在900℃显出较高的断裂韧性。这对于用作活塞或涡轮叶片的材料特别重要。可以看出与工业钛合金相比，这些复合材料在600-750℃温度范围显示出改善的断裂韧性。应注意到，甚至在更高的温度断裂韧性仍维持其相当高的值。这对于用作活塞和涡轮叶片的材料是特别重要的。
表2示出了十一个合金在三种不同温度的的断裂韧性值。合金组成对断裂韧性的作用是十分复杂的，在图6中绘出断裂韧性值对锆与硅比的曲线，它表明，当该比大或等于1时，可得到满意的断裂韧性值。我们认为，这个特点可作如下解释。提供给需要高温性能的复合材料的主要增强相是Ti5Si3，它相当脆。当用锆合金化时，锆固溶体在硅化钛中形成，导致力学性能的改善，这示于图7。我们认为在Ti-5Si-4Al-0.8Mn合金中锰的作用与锆相似。从表2看到复合材料Ti-6.2Si-5.4Al-6Zr和Ti-5Si-4Al-0.8Mn在800-900℃获得最大的断裂韧性值。表2还显示出当Zr/Si约为2时，在800℃断裂韧性获得最大值，当Zr/Si约为1时，在900℃获得相同的值。可以看到本发明复合材料比Si3N4基陶瓷材料具有更大的抗裂性，Si3N4基陶瓷材料断裂韧性值在5-7MPam1/2之间。
进行的第三个力学试验是拉断时的抗拉强度和相对延伸率。在拉断时的抗拉强度和相对延伸率是结构复合材料两个重要性能，由于它们表示在宽的温度范围内的抗负载能力。表3中包括的数据说明了试验合金化学组成如何影响不同温度下的抗拉强度和相对延伸率。这些数据可与工业钛合金的类似值相比。
在室温，工业钛合金具有比本发明公开的钛复合材料更好的强度。但是，工业钛合金的优点随温度的升高缩小，而在600℃和600℃以上温度本发明复合材料显示出优越的抗拉强度。我们认为这是由于相当大的体积百分数，即30-40％的增强硅化物相。
在中等温度范围，即600-700℃，Ti-4Si-2Al-1Mn和Ti-4.2Si-2Al-2Mn-2.5Cr-2.3Mo-1.5Fe复合材料获得最大的抗拉强度值。后者材料在800℃也显示出改进的塑性。
在800℃的高温范围，Ti-5.2Si-5.7Al-0.3Fe、Ti-6Si-4.6Al-4Zr-0.3Fe和Ti-5.3Si-5Al-Mn复合材料具有最大的抗拉强度。我们认为这是大量形成Ti5Si3的硅的结果，也是硅化物与铁或锰合金化的结果。
应注意到Ti-4.2Si-2Al-2Mn-2.5Cr-2.3Mo-1.5Fe、Ti-7Si-2.5Al-0.2Mn、Ti-4.2Si-4.5Al-2.5Cr-2.3Mo-0.1Fe和Ti-5.8Si-4.3Al-4Zr-3.7Cr-2.6Mo-0.01B复合材料在800℃显示出改进的相对延伸率。
这个积极的效果是由于硅化物相与锰、铬和钼复杂的合金化，而进一步在后者合金中由于硼的存在，硼改变了复合材料的组织造成的。
我们对钛基复合材料已进行的第四种力学试验是蠕变硬度测定，蠕变硬度被认为是在高温工作环境使用的材料一种重要的性能。在蠕变硬度试验得到的数据示于表4。
表4示出钛复合材料在20、500、700和850℃的蠕变硬度数据。应注意到在850℃最大的蠕变硬度值由含高硅和锆元素的Ti-9Si-5Al-6Zr复合材料获得。足够高的蠕变硬度值(280-300M)Pa还由Ti-4.7Si-4.4Al-9.4Zr和Ti-5.5Si-5.4Al-7.2Zr获得。我们认为这起因于合金中相对Ti-5.5Si-5.4Al-7.2Zr获得。我们认为这起因于合金中相对高含量的铝和更大量的共晶硅化物，这示于图8a，其中黑色阴影区域表示硅化物颗粒，而淡色阴影区域表示钛基体。图8b示出在钛基体中以扇形方式排列的硅化物晶形。
不同的工艺方法也可导致不同的蠕变硬度性能。我们发现由电子束方法冶炼的复合材料显示出比悬浮试样感应冶炼生产的复合材料更高的蠕变硬度。原因是后者含更少量的共晶组分，而硅化物共晶枝晶其中具有更细的分枝。
我们进行的最后一个力学试验是抗挠强度测定。抗挠强度或抗弯强度值是表示材料抗断裂能力的一种特征，其中应力状态比拉伸更复杂。高温抗挠强度也是用在高载荷和高温环境下材料的重要性能。
表5示出了本发明钛金属基复合材料与普通钛合金VTS相比抗挠强度的温度依赖关系。在20℃VTS明显优于本发明钛复合材料，但是，在升高温下，本发明生产的合金具有优越得多的性能。
在更高的800℃试验温度，Ti-6.2Si-5.4Al-6Zr具有400MPa最好的抗挠强度。Ti-5.3Si-5Al和Ti-2.8Si-6.4Al-12.4Zr-0.8Fe也显出300-330MPa的改进的抗挠强度。我们认为在提高钛基材料的强度中增强相的强度起了重要的作用。增强相的强度主要依赖于由硅和锆的量确定的Ti5Si3的体积百分数并进一步依赖于硅化物中的锆含量。
也研究了不同工艺技术对钛基复合材料性能的影响。现在，世界上生产钛合金铸件主要依靠在电弧炉、感应炉和电子束炉中使用真空。使用惰性气体的设备不太常见。所以，生产设备设计复杂并需要大的面积，改进生产率或降低成本是困难的。
近年，材料制造的新工艺已被发展并工业化，即自燃合成。用这种工艺，将主要组分钛和氮气置于有一定压力存在的室中。例如通过电流加热钨丝，使化学反应在室中小体积内开始。在合成化学反应期间产生的热加热邻接的试剂部分，然后试剂进入工艺直到主要组分完全消耗。作为固相钛在氮气氛中燃烧的结果形成氮化钛。
自燃合成Ti基复合材料通过下列步骤进行。将装入的组分在混合器中混合并用液压机以100MPa压力压制。将压块放置在850℃-1000℃温度下的电马弗炉中。压块温度一达到830℃，Ti5Si3和Ti3Al的合成反应就开始，使温度升高到1900-2000℃。压块的原形被保持，尽管在压块中发生共晶熔化的结果事实。当压块冷到1000-1100℃时，移入模中以进行最终压实和成形。
仔细检查反应产物获得的显微照片表明不象铸造复合材料组织，自燃试样含密集形共晶组织。这是因为凝固时共晶液体受到起因于合成反应时大的过热的相当大的过冷。
在本发明中也使用粉末冶金以提供材料的需要的相组成和细的组织，并进一步避免枝晶、晶带偏析和粗大团粒不希望的相。
有希望的现有技术粉末冶金工艺是具有进一步压制步骤粉末快速凝固。它提供具有实际上100％的密实度和非常细的组织，从而保证了其力学性能上的改进。
将电子束熔炼生产的原始方坯机加工达到直径50mm和长度700mm。将一个方坯固定在一台机器中通过旋转熔耗雾化。用由9∶1氦氩气体混合物中产生的等离子来加热方坯表面。方坯的旋转速度在每分钟800-5000转的范围内变化。
熔融液体在一种气体中的冷却速度在100-10000℃/秒之间，当在一个水冷金属板上飞溅时冷却速度在1000-1000000℃/秒之间。在第一种冷却方法中，形成尺寸30-800微米的球形颗粒，而在第二种冷却方法中形成厚度20-80微米的片状粉末。
粉末的组成示于表6。将粉末装入一个石墨模中，经感应加热到1000-1400℃，保持10分钟，然后在75MPa压力下压制。
压制温度对Ti-6.7Si-5.7Al-5.7Zr粉末复合材料抗挠强度的影响示于表7(在不同的挠性试验温度下)。可以看到在1200-1300℃范围内压制可得到改进的强度性能。这是因为在复合材料基体中的B-Ti的塑性改善。还可确定，当在1150℃和125℃压制时，Ti-2Si-5.4Al-5.3Zr-0.6Fe和Ti-6.2Si-5.4Al-6Zr复合材料分别获得相似的性能。
表8和表9显示出制造工艺对Ti-2Si-5.4Al-5.3Cr-0.6Fe和Ti-6.2Si-5.4Ai-6Zr复合材料在不同试验温度的一些性能的影向。
表8和表9中的数据表明，压制和铸造Ti-2Si-5.4Al-5.3Zr-0.6Fe成分的合金性能相似。由于Ti-6.2Si-5.4Al-6Zr复合材料中较大量的硅，它的压制组成抗断裂性能优越得多特别在800-850℃之间温度范围内比铸造复合材料抗阻断性能优越得多。
还发现热形成粉末材料，当进行大程度变形时，提供强的压实材料，与烧结或热压粉末相比它具有改善的组织和较好的物理、力学和使用性能。
将表7所示粉末放入直径29mm的金属盒中，以500-600MPa压力预压到密度至少70％，并封在盒中。然后将该盒放入一个电阻炉中，在1000℃温度下保持30分钟并经80％程度的挤压变形。
Ti-2Si-5.4Al-5.3Zr-0.6Fe复合材料的力学性能示于表10，很明显与铸造或烧结合金试样相比强度和抗挠性得到改进，这起因于较细小的晶粒和硅化物颗粒。
铸造的，压制的和挤压的复合材料Ti-6.2Si-5.4Al-6Zr的断裂韧性与温度的依赖关系示于表11。应注意到，在较低的试验温度，制造工艺不影响复合材料的断裂韧性。在中间温度挤压的复合材料具有最大的断裂韧性。在更高的温度下，压制的复合材料具有最高的断裂韧性值。
还研究了通过热循环热处理对复合材料的影响。在热机，象内燃机，气轮机等中工作的复合材料涉及许多加热到运行温度，接着冷却到室温。热循环伴随起因于发动机运行周期的高频率温度变化。这些温度变化在部件中引起复杂的应力状态，在一些情况下，甚至引起合金中的相转变。
所以，这些热机制造需要使用在部件工作期间很少或不发生相转变的组成。我们发现复合材料合金中的相转变可起因于某些过程。例如，过饱和固溶体离析伴随共析相的析出。它也可能起因于在低温非平衡相的溶解。合金中相转变也可由属于共晶来源的细小分支增强相的枝晶分支的球化和聚集引起。
所以，需要在最终形状加工之前用热处理工艺完成全部工艺，以稳定高温部件的形状和尺寸。
我们用下列不同的热处理方法处理钛复合材料。
1.等温退火：900℃，保温4小时，空冷。
2.分段退火：900℃，保温4小时，炉冷到650℃，保温2小时，空冷。
3.分段退火：900℃，保温3小时，炉冷到650℃，保温0.5小时，空冷。
4.在970℃和900℃之间热循环：150周，每周包括将试样在温度不同的两个炉之间转换。在每个炉中的保持时间为0.5小时。
5.在1020℃和800℃之间热循环：150周。
我们认为在主要铸造复合材料合金中存在下面的相组织：α和β-Ti，硅化物Ti5Si3和(TiZr)5(SiAl)3及其它金属间化合物，如Ti3Al。
在等温退火中，组织变化包括过饱和固溶体的离析和共析反应α→β＋Ti5Si3。从过饱和固溶体中析出的硅化物任意地分布在α-基晶粒中，共析源的硅化物形成平行薄片组。在共析硅化物组织中没有观察到变化。退火伴随着硬度从50.6到49.4HRc的降低。
在分段退火过程中，相转变比在等温退火中明显的少。共析反应推进程度较低，二次硅化物的量较少。
我们发现上述No.4和5中说明的热循环热处理被证明对新的钛基复合材料是最有效的。按No.4的热循环热处理与在内燃机中运行的活塞的以历十分相似。在方法5中的热循环包括一个温度范围，在该范围内钛基的α相和β相之间的发生转变。
我们认为，在热循环处理4和5中，共析反应，钛基体中过饱和固溶体合金元素的析出，硅化物枝晶粒化，球化和聚结在基体体系中充分地进行。在热循环热处理方法5中，40周后，在α基体晶粒中没观察到非平衡β相的间层。共析源的硅化物也变粗大并稀少地分布在基体晶粒中。这示于图9，图9中显微照片表示复合材料(a)铸态的，和(b)在1020℃和800℃之间热循环150周热处理的。120周后，观察到硅化物晶粒尺寸增大，而其它组织特征保持不变。
所以，我们得出结论，按照方法No.5热处理35周期后，提供满意的最小组织变化，这保证了形状和尺寸稳定的需要水平。
这个结论在试验中进一步证实，试验的是柴油机活塞。在活塞顶部不同的方向各参考点之间测量的直径变化表明尺寸变化显著的改善。观察到尺寸变化减少80％。
本发明配制的具有最好工作性能的钛基金属复合材料示于表12和13。具有最好耐热性，断裂韧性，抗拉强度、断裂时延伸率，蠕变硬度和抗挠强度的复合材料示于表12。表12中所示的试样是由铸造方法获得的。
具有最好断裂强度、断裂时延伸率、蠕变硬度和抗挠强度的粉末冶金获得的复合材料试样示于表13。
其他的第VIII族金属，如镍、钴、第IB族金属，如铜和第IVA元素，如锗也可用作本发明中合适的合金元素。
虽然本发明已经以例证方式说明，应当理解到，使用的术语是为了具有描述用词的性质而不是限制。
此外，本发明几个优选实施方案说明的同时，显然的是现有技术中的那些熟练技术人员将迅速将这些教导用到本发明其它可能的变化中。
表1.试验合金在950℃的氧化速率mg/(cm2小时)
                合金组成     速率
    1 Ti-7Al     1.60
    2 Ti-10Si     1.48
    3 Ti-7Zr     1.25
    4 Ti-3Al-1Mn(commr.mat.OT-4)     3.45
    5 Ti-10Si-7Zr     0.52
    6 Ti-10Si-7Al     0.57
    7 Ti-2Si-5.4Al-5.3Zr-0.6Fe     0.60
    8 Ti-3.5Si-4.3Al-6.2Zr     0.41
    9 Ti-5.5Si-5.4Al-7.2Zr     0.55
    10 Ti-6Si-4.5Al-4Zr-0.3Fe     0.25
    11 Ti-6.2Si-5.4Al-8Zr     0.23
    12 Ti-8Si-5Al-8Zr     0.18
    13 Ti-10Si-7Al-7Zr     0.10
    14 Ti-4.2Si-2Al-2Mn-2.5Cr-2.3Mo1.5Fe     1.23
    15 Ti-6.6Si-5.6Al-5.4Zr     0.12
    16 Ti-3Si-6Al-9.6Zr-0.3Fe     0.19
Si3N4     0.20
表2.铸造合金组成对不同温度断裂韧性Klc
             的影响MPam1/2
            Klc
                合金组成     20℃    800℃   900℃
  1 Ti-5Al(commer，mat.VT-5)     40.0     -    -
  2 Ti-4Si-2.5Al-4Zr     14.2    11.1    5.0
  3 Ti-5Si-4Al-0.8Mn     17.0    14.5   15.0
  4 Ti-4.2Si-4.5Al-2.5Cr-2.3Mo-0.1Fe     20.1    11.4    4.7
  5 Ti-3Si-6Al-9.6Zr-0.35Fe     18.2    16.0   10.6
  6 Ti-6Si-4Al-4Zr-2.5Mo     18.5    10.9    5.8
  7 Ti-6.6Si-5.6Al-5.4Zr     16.9    14.3    8.9
  8 Ti-2.8Si-6.4Al-12.4Zr-0.8Fe     14.5    15.1   13.6
  9 Ti-5.3Si-5Al     19.5    17.9    9.5
  10 Ti-4.7Si-4.4Al-9.4Zr     20.1    12.6   11.1
  11 Ti-2Si-5.4Al-5.3Zr-0.6Fe     21.5    17.8    -
  12 Ti-6.2Si-5.4Al-6Zr     18.5    16.0   15.0
表3.在不同温度下试验复合材料化学组成对抗拉强度和相对延伸率的影响
             组成，重量％ 抗拉强度 MPa   延伸率％
   20℃     600℃     700℃     800℃     20℃     600℃     800℃
    1  Ti-0.7Si-3.2Al-1.3Mn    723     293     135      75     11.5      11.6      44.0
    2  Ti-9.5Si-3Al-0.7Mn-0.4C    381      -     380     120      1.3       2.0       6.0
    3  Ti-4Si-2Al-1Mn    600     670     405     230      1.5       2.0       6.0
    4  Ti-4.2Si-2Al-2Mn-2.5Cr-2.3Mo-1.5Fe    650     630     600     140      1.0       2.5      25.0
    5  Ti-7Si-2.5Al-0.2Mn    566     470     325     200      2.1       2.0      13.0
    6  Ti-4.8Si-3Al    505     380       -     280      1.9       1.5       7.0
    7  Ti-4.5Si-3Al-4.5Zr    609     460     450     260      2.3       1.7       9.0
    8  Ti-5.2Si-4.2Al-0.8Mn-0.3Fe    673     610     430     250      2.3       1.2       4.0
    9  Ti-5.2Si-5.7Al-0.3Fe    638       -     530     330      2.6       1.7       2.5
    10  Ti-6Si-4.6Al-4Zr-0.3Fe    566     510     490     300      1.6       1.0       3.5
    11  Ti-5.3Si-5Al-1Mn    638     550     520     290      2.7       1.0       3.5
    12  Ti-4.2Si-4.5Al-2.5Cr-2.3Mo-0.1Fe    571     580     390     190      2.1       1.5      16.0
    13  Ti-5.8Si-4.3Al-4Zr-3.7Cr-2.6Mo-0.018    710     620     500     210      2.0       2.0      12.0
表4.试验复合材料在不同温度的蠕变硬度HV，MPa
                    组成，重量％          蠕变硬度
 20℃   500℃  700℃    850℃
    1  Ti-5Al(工业材料VT-5)  3800  1520  370    125
    2  Ti-10Si  5000  1610  310     80
    3  Ti-7Al  3600  1920 1020    280
    4  Ti-10Si-7Al  5800  3040  850    180
    5  Ti-10Si-7Zr  5500  1430  480    200
    6  Ti-8.5Si-7Al  6000  3210  970    160
    7  Ti-5Si-5Al-7Zr  7000  2300  390     80
    8  Ti-7.7Si-2.5Al-0.1Mn  3650  1340  340    130
    9  Ti-4.8Si-3Al-0.1Mn  3800  1980  430    160
    10  Ti-4Si-2.7Al-0.2Mn-4Zr  3150  1850  650    170
    11  Ti-5.2S-4.2Al-0.8Mn-0.3Fe   -  1430  510    160
    12  Ti-6-Si-4.6Al-4Zr-0.3Fe  3960  1720  480    190
    13  Ti-4.2Si-4.SAl-2.5Cr-2.3Mo-0.1Fe  3800  1530  330     60
    14  Ti-3.4Si-5Al-0.3Mn-9.6Zr-0.3Fe  3150  1370  360    140
    15  Ti-5.8Si-4.3Al-4Zr-3.7Cr-2.6Mo-0.018  3800  1330  290     70
    16  Ti-5Si-4.8Al-3.9Zr  3840  1610  480    100
    17  Ti-6.6Si-5.6Al-5.4Zr  4000  2100  650    230
    18  Ti-2.8Si-8.4Al-12.4Zr-0.8Fe  3730  2560  970    240
    19  Ti-5.3Si-5Al  5010  1660  480    100
    20  Ti-4.7Si-4.4Al-9.4Zr  4800  3250 1160    280
    21  Ti-5.5Si-5.4Al-7.2Zr  5600  3650 1080    300
    22  Ti-9Si-5Al-6Zr   -  4000 1600    580
表5.试验合金在不同温度的抗挠强度，MPa
    组分，重量％     抗挠强度
 20℃  400℃  600℃  700℃  800℃
    1  Ti-5Al(VT-5)  1290  690  525   -   -
    2  Ti-2.0Si-6.4Al-12.4Zr-0.8Fo  860  810  720  590  330
    3  Ti-5.0Si-5Al  800  800  800  560  300
    4  Ti-2Si-5.4Al-5.3Zr-0.6Fo  450  720  850  430  245
    5  Ti-6.2Si-5.4Al.6Zr  1020  1100  800  720  400
表6.粉末陶瓷金属复合材料的化学组成，重量％
      Sl     Al     Zr     Fe     n
    1      2.0    5.4    5.3     0.6   余
    2      6.2    6.4    6.0      -   余
    3      6.7    5.7    6.7      -   余
 表7.Ti-6.7Si-5.7Al-5.7Zr粉末复合材料的抗挠强度与温度的依赖关系
   压制温度℃                          抗挠强度MPa
   20℃  300℃  500℃   700℃    800℃
     900    150    312  230    180     130
    1200    230    380  560    820     550
    1300    190    543  827    851     234
表8.Ti-2Si-5.4Al-6.3Zr-0.6Fe复合材料性能与温度的依赖关系
   20℃     200℃    400℃     500℃    600℃    700℃    800℃
                                              铸造材料
  抗挠强度MPa    430      550     720       -     850      410     340
Klc，MPam1/1     20       20     21.4       20      24       27    16.5
HV，MPa     -       -      -     1980      -      430     100
                                                压制粉末材料
  抗挠强度MPa    500      750     900      -    1000       -     200
Klc，MPam1/2     20       21      22      -      28       28      16
HV，MPa     -       -      -     2230      -      330     100
表9.Ti-6.2Si-5.4Al-6Zr复合材料的性能与温度的依赖关系
   20℃    200℃    300℃     400℃     500℃     600℃    700℃    800℃    900℃
                                                                   铸造材料
抗挠强度MPa    1040    1120      -      1120       -      975     760      -      -
Klc，MPam1/2      18      19      -        18       -     19.5      16      17      15
f，mm      0      O      -        0       -      0      0     0.78      -
HV，MPa      -      -      -        -     3880      -     1610      900      -
                                                               压制粉末材料
抗挠强度MPa     200      -     380        -      430      -     600      450     250
Klc，MPam1/2      14     11      -        18       19     25.5      29       34      33
f，mm      0      --      0        -       0       -    0.18      0.2 90°弯曲角
HV，MPa      -      -      -        -     3540       -    1520      850  -
表10.热挤压Ti-2Si-5.4Al-5.3Zr-0.6Fe复合材料性能与温度的依赖关系
   20℃    200℃   300℃    400℃   500℃    600℃   650℃     800℃
抗挠强度MPa    1480     1280     -    1040     -     670     -      200
Klc，MPam1/2      43       43     -      44     -      48     53       -
f，mm     1.2      1.2     -     1.2     -  90°弯曲角     -  90°弯曲角
HV，MP8      -       -     -      -     -    2000    290      110
表11.制造工艺对Ti-6.2Si-5.4Al-6Zr复合材料不同温度Klc的影响，MPa m1/2
复合材料类型    200℃     400℃     500℃     600℃     700℃     800℃     900℃
铸造的     20      19      19     19.5     13-19      17      15
压制的     12      18      19     25.5      28.5     34.4     33.5
挤压的     20      24     28.5      32       28      22      -
表12.具有最好工作性能的铸造钛基陶瓷金属的化学组成
 耐热性0.1-0.25mg/cm2小时  在800-900℃Klc14.5-16.0MPam1/2  在600-700℃TS500-670MPa 在800℃TS280-330MPa  在800℃延伸率12-25％ 在850℃蠕变HV200-800Mpa 抗挠强度800℃300-400 MPa
Ti-10Si-7Al-7Zr      x
Ti-5.2Si--5.4Al-6Zr      x       x     x
Ti-5.2Si-4.2Al-0.8Mn-0.3Fe       x
Ti-4Si-2Al--1Mn     x
Ti-4.2Si-2Al-2Mn-2.5Cr-2.3Ho-1.5Fe     x     x
Ti-5.2Si--5.7Al-0.3Fe    x
Ti-6Si-4.5Al--4Zr-0.3Fe      x    x
Ti-5.3Si-5Al--1Mn    x
Ti-7Si-2.5Al--0.2Mn     x
Ti-4.2Si--4.5Al-2.5Cr--2.3Mo-0.1Fe     x
Ti-5.8Si--4.3Al-4Zr--3.7Cr-2.6Mo--0.018     x
Ti-9Si-5Al--6Zr      x    x
Ti-5.5Si--5.4Al-7.2Zr    x
Ti-4.7Si-4.4Al-9.4Zr    x
Ti-2.8Si-8.4Al-12.4Zr-0.8Fe     x
表13.具有最好工作性能的粉末钛基陶瓷金属的化学组成
在800-900℃Klc35-33 MPa m1/3 在500-600℃Klc43-48 MPa m1/1 在800℃延伸率15％ 在850℃蠕变HV210 MPa 在800℃抗挠强度550 MPa
 Ti-6.2Si-6Zr-5Al在1300℃热压         x
 Ti-2Si-5.3Zr-5.4Al-0.6Fe在1000℃挤压         x
 Ti-2Si-5.3Zr-5.4Al-0.6Fe热压    x
 Ti-6.7Si-5Zr-5.7Al热压    x
 Ti-6.2Si-6Zr-5Al热压     x
 Ti-6-7Si-5.7Zr-5.7Al0.08Mn在1200℃热压     x
权利要求书
按照条约第19条的修改
1.一种具有钛-陶瓷增强相的钛基复合材料，该复合材料不含Mn和Fe，该复合材料含有(重量％)：Si约9-约20％，Al约2-约13％，选自Zr、Cr、Mo、C和B中至少一种元素约0.01-约15％，Ti余量。
2.按照权利要求1的钛基复合材料，其中所述的钛-陶瓷增强相在钛基体中共晶形成。
3.按照权利要求2的钛基复合材料，其中所述的增强相包括硅化钛。
4.按照权利要求2的钛基复合材料，其中所述的增强相选自Ti5Si3、(Ti，Zr)5(Si，Al)3、Ti3Si和Ti3Al。
5.按照权利要求1的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Zr。
6.按照权利要求1的钛基复合材料，该复合材料包含(重量％)：Si约9-约12％，Al约3-约9％，选自Zr、Cr、Mo、C、Fe和B中至少一种元素约4-约9％。
7.按照权利要求1的钛基复合材料，其中所述的该复合材料密度不大于5gm/cm3，抗拉强度约400-约700MPa，断裂韧性约10-约50MPam1/2，而导热率不大于10w/m.k。
8.按照权利要求1的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着的压制法制造。
9.按照权利经求1的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着热成形法制造。
10.一种具有钛-陶瓷增强相的钛基复合材料，该复合材料不含Mo、Mn和Fe，该复合材料包含(重量％)：Si约4.1-约20％，Al约2-约13％，选自Zr、Cr、C和B中至少一种元素约0.01-约15％，Ti余量。
11.按照权利要求10的钛基复合材料，其中所述的钛-陶瓷增强相在钛基体中共晶形成。
12.按照权利要求11的钛基复合材料，其中所述的增强相包括硅化钛。
13.按照权利要求11的钛基复合材料，其中所述的增强相选自Ti5Si3、(Ti，Zr)5(Si，Al)3、Ti3Si和Ti3Al。
14.按照权利要求10的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Zr。
15.按照权利要求10的钛基复合材料，该复合材料包含(重量％)：Si约4.5-约12％，Al约3-约9，选自Zr、Cr、C和B中至少一种元素约0.01-约11％。
16.按照权利要求10的钛基复合材料，其中所述的复合材料密度不大于5gm/cm3，抗拉强度约400-约700MPa，断裂韧性约10-约50MPam1/2，而导热率不大于10w/m.k。
17.按照权利要权利10的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着压制法制造。
18.按照权利要求10的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着热成形法制造。
19.按照权利要求10的钛基复合材料，该复合材料含(重量％)：Si6.2％，Al5.4％，Zr6.0％。
20.一种具有钛-陶瓷增强相的钛基复合材料，该复合材料不含Mo，该复合材料含(重量％)：Si约4.1-约20％，Al约2-约13％，选自Zr、Mn、Cr、C、Fe和B中至少一种元素约0.01-约2％，Ti余量。
21.按照权利要求20的钛基复合材料，其中所述的钛-陶瓷增强相在钛基体中共晶形成。
22.按照权利要求21的钛基复合材料，其中所述的增强相包括硅化钛。
23.按照权利要求21的钛基复合材料，其中所述的增强相选自TI5Si3、(Ti，Zr)5(Si，Al)3、Ti3Si和Ti3Al。
24.按照权利要求20的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Mn。
25.按照权利要求20的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Fe。
26.按照权利要求20的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Zr和Fe。
27.按照权利要求20的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Zr和Mn。
28.按照权利要求20的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着压制法制造。
29.按照权利要求20的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着热成形法制造。
30.按照权利要求20的钛基复合材料，其中所述复合材料按自燃合成法制造，使用原料含25％(重量)Al-Si-Fe-Zr-Ti合金颗粒，合金Al-Si-Fe-Zr-Ti含(重量％)Si9-32％，Fe0.7-2％，Zr0.1-0.3％，Ti0.05-0.2％，原料还包含0.01-30％(重量)的选自Cr、Mn和Zr的至少一种合金元素，余量为Ti。
31.一种具有钛-陶瓷增强相的钛基复合材料，该复合材料不含Mo、Zr、Mn和Fe、该复合材料含(重量％)：Si约2-约20％，Al约2-约13％，选自Cr、C和B中至少一种元素约0.01-约15％，Ti余量。
32.按照权利要求31的钛基复合材料，其中所述的钛-陶瓷增强相共晶形成在钛基体中。
33.按照权利要求31的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着压制法制造。
34.按照权利要求31的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着热成形法制造。
35.一种具有钛-陶瓷增强相的钛基复合材料，该复合材料不含Mo和Zr，该复合材料含(重量％)：Si约2-约20％，Al约2-约13％，Mn、Cr、C、Fe和B中选的至少一种元素约0.01-约2％，Ti佘量。
36.按照权利要求35的钛基复合材料，其中所述的钛-陶瓷增强相共晶形成于钛基体中。
37.按照权利要求35的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Mn。
38.按照权利要求35的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Fe。
39.按照权利要求35的钛基复合材料，该复合材料含(重量％)：Si约3-约9％，Al约3-约7％，选自Mn、Cr、C、Fe和B中至少一种元素约0.01-2％。
40.按照权利要求35的钛基复合材料，其中所述的复合材料密度不大于5gm/cm3，抗拉强度约400-约700MPa，断裂韧性约10-约50MPa m1/2，而导热率不大于10W/m.k。
41.按照权利要求35的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着压制法制造。
42.按照权利要求35的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着热成形法制造。
43.一种具有钛-陶瓷增强相的钛基复合材料，含有(重量％)：Si约0.01-约20％，Al约0.01-约13％，选自Zr、Mo、Cr、C、Mn、Fe和B中至少三种元素约0.01-约15％，Ti余量。
44.按照权利要求43的钛基复合材料，其中所述的钛-陶瓷增强相共晶形成在钛基体中。
45.按照权利要求44的钛基复合材料，其中所述的增强相包括硅化钛。
46.按照权利要求44的钛基复合材料，其中所述的增强相选自Ti5Si3、(Ti，Zr)5(Si，Al)3、Ti3Si和Ti3Al。
47.按照权利要求43的钛基复合材料，其中所述的至少三种元素是Zr、Mo、Cr和B。
48.按照权利要求43的钛基复合材料，含有(重量％)：Si5.8％，Al4.3％，Zr4％，Cr3.7％，Mo2.6％，B0.01％。
49.按照权利要求43的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着压制法制造。
50.按照权利要求43的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着热成形法制造。
51.按照权利要求43的钛基复合材料，其中所述的复合材料按自燃合成法制造，使用原料含25％(重量)Al-Si-Fe-Zr-Ti合金颗粒，合金中含(重量％)Si9-32％，Fe0.7-2％，Zr0.1-0.3％，Ti0.05-0.2％，原料还含0.01-30％(重量)的选自Cr、Mn和Zr的至少一种合金元素，余量为Ti。
52.一种使钛基复合材料达到性能最佳化的方法，该复合材料具有共晶形成的钛-陶瓷增强相，含有Ti、Si、Al和选自Zr、Mo、Cr、C、Fe和B的至少一种元素，该方法包括步骤：
(a)将复合材料放入预置温度在约750-850℃之间的第一个炉中经预定时间，
(b)预定时间后从第一个炉中取出复合材料，
(c)此后立即将复合材料放入预置温度在约970-1070℃之间的第二个炉中经预定的时间，
(d)预定时间后从第二个炉取出复合材料，和
(e)重复热循环足够的次数，以使复合材料中所有亚稳相分解。
53.按照权利要求52的方法，其中所述的足够的次数热循环是30。
54.一种使钛基复合材料达到性能最佳化的方法，该复合材料具有共晶形成的钛-陶瓷增强相，含有Ti、Si、Al和选自Zr、Mo、Cr、C、Fe和B的至少一种元素，该方法包括步骤：
(a)将复合材料放入预置温度在约650-750℃之间的第一个炉中经预定的时间，
(b)预定时间后从第一个炉中取出复合材料，
(c)此后立即将复合材料放入预置温度在约920-1020℃之间的第二个炉中经预定的时间，
(d)预定的时间后从第二个炉中取出复合材料，和
(e)重复热循环足够的次数，以使复合材料中的所有亚稳相分解。
55.按照权利要求55的方法，其中所述的足够次数的热循环是30。
56.一种具有共晶形成的钛-陶瓷增强相的钛基复合材料，该复合材料含有Ti、Si、Al和选自Zr、Mo、Cr、C、Fe和B的至少一种元素，该复合材料具有按热循环方法处理产生的最佳性能，所述方法包括步骤：
(a)将复合材料放入预置温度在约750-850℃之间的第一个炉中经预定的时间，
(b)预定的时间后从第一个炉中取出复合材料，
(c)此后立即将复合材料放入预置温度约970-1070℃之间的第二个炉中经预定的时间，
(d)预定的时间后从第二个炉中取出复合材料，和
(e)重复热循环以足够的次数，以使复合材料中的所有亚稳相分解。
57.一种具有共晶形成的钛-陶瓷增强相的钛基复合材料，该复合材料含有Ti、Si、Al和选自Zr、Mo、Cr、C、Fe和B的至少一种元素，该复合材料具有按热循环方法处理产生的最佳性能，该方法包括步骤：
(a)将复合材料放入预置温度在约650-750℃之间的第一个炉中经预定的时间，
(b)预定的时间后从第一个炉中取出复合材料，
(c)此后立即将复合材料放入预置温度在约920-1020℃之间的第二个炉中经预定的时间，
(d)预定的时间后从第二个炉中取出复合材料，和
(e)重复热循环以足够的次数，以使复合材料中的所有亚稳相分解。
58.一种具有钛-陶瓷增强相的钛基复合材料，含有(重量％)：Si约0.01-约20％，Al约0.01-约15％，Zr约0.01-约15％，选自Mo、Mn、Cr、C、Fe和B中至少一种元素约0.01-约15％，Ti余量。
59.按照权利要求58的钛基复合材料，含有2.5-3.9％(重量)的Si。
60.按照权利要求58的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着压制法制造。
61.按照权利要求58的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着热成形法制造。
62.按照权利要求58的钛基复合材料，其中所述的复合材料按自燃合成法制造，使用原料含有25％(重量)的Al-Si-Fe-Zr-Ti颗粒合金，该合金含(重量％)Si9-32％，Fe0.7-2％，Zr0，1-0，3％，Ti0.05-0.2％，原料中还含0.01-30％(重量)的选自Mo、Cr、Mn和Zr的至少一种合金元素，余量为Ti。
63.按照权利要求58的钛基复合材料，其中所述的钛-陶瓷增强相共晶形成在钛基体中。
64.按照权利要求63的钛基复合材料，其中所述的增强相包括硅化钛。
65.按照权利要求63的钛基复合材料，其中所述的增强相选自Ti5Si3、(Ti，Zr)5(Si，Al)3、Ti3Si和Ti3Al。
66.一种具有钛-陶瓷增强相的钛基复合材料，该复合材料不含Mn和Fe，该复合材料含有(重量％)：Si约0.01-约20％，Al约5.1-约15％，选自Zr、Mo、Cr、Cr、C和B中至少一种元素约0.01-约15％，Ti余量。
67.按照权利要求66的钛基复合材料，其中所述的钛-陶瓷增强相共晶形成在钛基体中。
68.按照权利要求67的钛基复合材料，其中所述的增强相包括硅化钛。
69.按照权利要求67的钛基复合材料，其中所述的增强相选自Ti5Si3、(Ti，Zr)5(Si，Al)3、Ti3Si和Ti3Al。
70.一种具有钛-陶瓷增强相的钛基复合材料，该复合材料不含Ni、Co、Fe、Mn和Cu，该复合材料含有(重量％)：Si约4.1-约20％，Al约0.01-约15％，选自Zr、Mo、Cr、C和B中至少一种元素约0.01-约15％，Ti余量。
71.按照权利要求70的钛基复合材料，其中所述的钛-陶瓷增强相共晶形成在钛基体中。
72.按照权利要求71的钛基复合材料，其中所述的增强相包括硅化钛。
73.按照权利要求71的钛基复合材料，其中所述的增强相选自Ti5Si3、(Ti，Zr)5(Si，Al)3、Ti3Si和Ti3Al。
74.一种具有钛-陶瓷增强相的钛基复合材料，该复合材料不含Mn，该复合材料包含(重量％)：Si约0.01-约20％，Al约0.01-约15％，选自Zr、Mo、Cr、C、B、Ni、Co、Fe和Cu中至少一种元素约0.01-约2％，Ti佘量。
75.按照权利要求74的钛基复合材料，其中所述的钛-陶瓷增强相共晶形成在钛基体中。
76.按照权利要求75的钛基复合材料，其中所述的增强相包括硅化钛。
77.按照权利要求75的钛基复合材料，其中所述的增强相选自Ti5Si3、(Ti，Zr)5(Si，Al)3、 Ti3Si和Ti3Al。
78.一种钛基复合材料，该材料含有(i)含Ti和Al的钛合金基体和(ii)作为增强相的共晶形成的含Si的钛-陶瓷，
条件是该复合材料不同时合(重量％)2-7％的Mo，2-5％的Al，4-8％Si，0.5-1.5％Mn和余量Ti，
另一个条件是该复合材料不同时含(重量％)小于5％的Si，Al和Zr的至少一种，和余量Ti。-陶瓷，
条件是该复合材料不同时含(重量％)2-7％的Mo，2-5％的Al，4-8％Si，0.5-1.5％Mn和余量Ti，
另一个条件是该复合材料不同时含(重量％)小于5％的Si，Al和Zr两者至少一种，和余量Ti。

Claims (58)

1.一种具有钛合金增强相的钛基复合材料，不含Mo和Fe，含有(重量％)：Si约9-约20％，Al约2-约13％，Zr、Cr、Mo、C和B中至少选一种元素约0.01-约15％，Ti余量。
2.按照权利要求1的钛基复合材料，其中所述的钛合金增强相共晶形成在钛基体中。
3.按照权利要求1的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Zr。
4.按照权利要求1的钛基复合材料，其中优选有(重量％)Si约9-约12％，Al约3-约9％，Zr、Mn、Cr、Mo、C、Fe和B中至少选一种元素约4-约9％。
5.按照权利要求1的钛基复合材料，其中该复合材料密度不大于5gm/cm3，抗拉强度约400-约700MPa，断裂韧性约10-约50MPam1/2，而导热率不大于10W/m.k。
6.一种具有钛合金增强相的钛基复合材料，不含Mo、Mn和Fe，含有(重量％)：Si约4.1-约20％，Al约2-约13％，Zr、Cr、C和B中至少选一种元素约0.01-约15％，Ti余量。
7.一种具有钛合金增强相的钛基复合材料，不含Mo，含有(重量％)：Si约4.1-约20％，Al约2-约13％，Zr、Mn、Cr、C、Fe和B中至少选一种元素约0.01-约2％，Ti余量。
8.按照权利要求6的钛基复合材料，其中所述的钛合金增强相共晶形成在钛基体中。
9.按照权利要求7的钛基复合材料，其中所述的钛合金增强相共晶形成在钛基体中。
10.按照权利要求6的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Zr。
11.按照权利要求7的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Mn。
12.按照权利要求7的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Fe。
13.按照权利要求7的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Zr和Fe。
14.按照权利要求7的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Zr和Mn。
15.按照权利要求6的钛基复合材料，其中优选有(重量％)Si约4.5-约12％，Al约3-约9％，Zr、Cr、C和B中至少选一种元素约0.01-约11％。
16.按照权利要求6的钛基复合材料，其中所述的复合材料密度不大于5gm/cm3，抗拉强度约400-约700MPa，断裂韧性约10-约50MPam1/2，而导热率不大于10W/m.k。
17.一种具有钛合金增强相的钛基复合材料，不含Mo、Zr、Mn和Fe，含有(重量％)：Si约2-约20％，Al约2-约13％，Cr、C和B中至少一种元素约0.01-约15％，Ti余量。
18.一种具有钛合金增强相的钛基复合材料，不含Mo和Zr，含有(重量％)：Si约2-约20％，Al约2-约13％，Mn、Cr、C、Fe和B中至少选一种元素约0.01-约2％，Ti余量。
19.按照权利要求17的钛基复合材料，其中所述的钛合金增强相共晶形成在钛基体中。
20.按照权利要求1 8的钛基复合材料，其中所述的钛含金增强相共晶形成在钛基体中。
21.按照权利要求18的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Mn。
22.按照权利要求18的钛基复合材料，其中所述的至少一种元素是Fe。
23.按照权利要求18的钛基复合材料，其中优选有(重量％)Si约3-约9％，Al约3-约7％，Mn、Cr、C、Fe和B中至少选一种元素约0.01-约2％。
24.按照权利要求18的钛基复合材料，其中所述的复合材料密度不大于5gm/cm3，抗拉强度约400-约700MPa，断裂韧性约10-约50MPam1/2，而导热率不大于10W/m.k。
25.一种形成钛合金增强相的钛基复合材料，含有(重量％)：Si约0.01-约20％，Al约0.01-约13％，Zr、Mo、Cr、C、Mn、Fe和B中至少选三种元素约0.01-约15％，Ti余量。
26.按照权利要求25的钛基复合材料，其中所述的钛合金增强相共晶形成在钛基体中。
27.按照权利要求25的钛基复合材料，其中所述的至少三种元素是Zr、Mo、Cr和B。
28.按照权利要求25的钛基复合材料，其中优选有(重量％)Si5.8％，Al4.3％，Zr4％，Cr3.7％，Mo2.6％，B0.01％。
29.一种使钛基复合材料达到性能最佳化的方法，该复合材料具有共晶形成的钛合金增强相，该复合材料含有Ti、Si、Al和Zr、Mo、Cr、C、Fe和B中至少选一种元素，该方法包括进行热循环，通过将所述复合材料放入预置温度在约750-约850℃之间的第一个炉中经预定的时间，在预定的时间后从第一个炉中取出复合材料，此后立即将复合材料放入预置温度在约970-约1070℃之间的第二个炉中经预定的时间，预定的时间后从第二个炉中取出复合材料，重复该热循环足够的次数，以使复合材料中的所有亚稳相分解。
30.一种使钛基复合材料达到性能最佳化的方法，该复合材料具有共晶形成的钛合金增强相，该复合材料含有Ti、Si、Al和Zr、Mo、Cr、C、Fe和B中至少选一种元素，该方法包括进行热循环，通过将复合材料放入预置温度在约650-约750℃之间的第一个炉中经预定的时间，在预定的时间后从第一个炉中取出复合材料，此后立即将复合材料放入预置温度在920-1020℃之间的第二炉中经预定的时间，预定的时间后从第二个炉中取出复合材料，重复该热循环足够的次数，以使复合材料中的所有亚稳相分解。
31.按照权利要求29的方法热循环热处理的一种钛基复合材料。
32.按照权利要求30的方法热循环热处理的一种钛基复合材料。
33.按照权利要求29的方法，其中所述的足够的热循环次数是30。
34.按照权利要求30的方法，其中所述的足够的热循环次数是30。
35.一种具有钛合金增强相的钛基复合材料，含有(重量％)：Si约0.01-约20％，Al约0.01-约15％，Zr约0.01-约15％，Mo、Mn、Cr、C、Fe和B中选的至少一种元素约0.01-约15％，Ti余量。
36.一种具有钛合金增强相的钛基复合材料，不含Mn和Fe，含有(重量％)：Si约0.01-约20％，Al约5.1-约15％，Zr、Mo、Cr、C和B中选的至少一种元素约0.01-约15％，Ti余量。
37.按照权利要求35的钛基复合材料，其中优选2.5-3.9％(重量)的Si。
38.按照权利要求1的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着压制法制造。
39.按照权利要求1的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着热成形法制造。
40.按照权利要求6的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着压制法制造。
41.按照权利要求6的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着热成形制造。
42.按照权利要求7的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着压制法制造。
43.按照权利要求7的钛基复合材料，其中所述的复合材料按快速凝固和接着热成形法制造。
44.按照权利要求7的钛基复合材料，其中所述的复合材料按自燃合成法制造，用料含25％(重量)的Al-Si-Fe-Zr-Ti(含(重量％)Si9-32％，Fe0.7-2％，Zr0.1-0.3％，Ti0.05-0.2％)合金颗粒，0.01-30％(重量)的至少一种选自Ge、Cr、Mn和Zr的合金元素，余量为Ti。
45.按照权利要求17的钛基复合材料，其中所述复合材料按快速凝固和接着压制法制造。
46.按照权利要求17的钛基复合材料，其中所述复合材料按快速凝固和接着热成形法制造。
47.按照权利要求18的钛基复合材料，其中所述复合材料按快速凝固和接着压制法制造。
48.按照权利要求18的钛基复合材料，其中所述复合材料按快速凝固和接着热成形法制造。
49.按照权利要求25的钛基复合材料，其中所述复合材料按快速凝固和接着压制法制造。
50.按照权利要求25的钛基复合材料，其中所述复合材料按快速凝固和接着热成形法制造
51.按照权利要求25的钛基复合材料，其中所述复合材料按自燃合成法制造，用料含有25％(重量)的Al-Si-Fe-Zr-Ti(含(重量％)Si9-32％，Fe0.7-2％，Zr0.1-0.3％，Ti0.05-0.2％)合金颗粒，0.01-30％(重量)的至少一种选自Ge、Cr、Mn和Zr的合金元素，佘量为Ti。
52.按照权利要求35的钛基复合材料，其中所述复合材料按快速凝固和接着压制法制造。
53.按照权利要求35的钛基复合材料，其中所述复合材料按快速凝固和接着热成形法制造。
54.按照权利要求35的钛基复合材料，其中所述复合材料按自燃合成法制造，用料含有25％(重量)的Al-Si-Fe-Zr-Ti(含(重量％)Si9-32％，Fe0.7-2％，Zr0.1-0.3％，Ti0.05-0.2％)合金颗粒，0.01-30％(重量)的至少一种选自Ge、Mo、Cr、Mn和Zr的合金元素。余量为Ti。
55.按照权利要求6的钛基复合材料，其中优选6.2％(重量)的Si，5.4％(重量)的Al，6.0％(重量)的Zr。
56.一种具有钛合金增强相的钛基复合材料，不含Ni、Co、Fe、Mn和Cn，含有(重量％)：Si约4.1-约20％，Al约0.01-约15％，Zr、No、Cr、Ge、C和B中选的至少一种元素约0.01-约15％，Ti余量。
57.一种具有钛合金增强相的钛基复合材料，不含Mn，含有(重量％)：Si约0.01-约20％，Al约0.01-约15％，Zr、Mo、Cr、Ge、C、B、Ni、Co、Fe和Cu中选的至少一种元素约0.01-2％，Ti余量。％，Ti余量。
57.一种具有钛合金增强相的钛基复合材料，不含Mn，含有(重量％)：Si约0.01-约20％，Al约0.01-约15％，Zr、Mo、Cr、Ge、C、B、Ni、Co、Fe和Cu中选的至少一种元素约0.01-2％，Ti余量。
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