TiBw柱状网络增强钛基复合材料制备及强化机理研究

发布时间：2020-05-04 22:45

【摘要】：钛合金轻质高强,在航空航天航海等领域具有广泛的应用前景。钛基复合材料是在钛合金中加入增强体以提高钛合金耐磨性、耐高温、比强度,在提高钛合金的综合力学性能、拓宽其应用前景方面具有很大的潜力。本文以增强体在基体中的空间分布对钛基复合材料的强韧化影响机制为基础,以热压烧结-挤压和粉体预烧结-挤压两种工艺,在充分强化钛合金基体的同时,发挥增强体定向强化特性,制备出具有优异性能的增强体呈柱状网络分布的钛基复合材料,并对制备工艺进行了优化,同时研究了其强化机理和断裂失效机制。首先选用热压烧结-挤压工艺制备出增强体呈柱状网络分布的钛基复合材料。以直径~110μm的TA15球形钛粉和平均粒径3μm的TiB_2为原材料采用低能球磨随后热压烧结的工艺,不同的原料配比,制备出不同TiB晶须含量的3D网状分布的TiBw/TA15复合材料,研究了TiB晶须含量对复合材料组织性能的影响。随后选择室温力学性能优异的2.5vol.%TiBw/TA15复合材料进行挤压制备出增强体呈柱状网络分布的钛基复合材料棒材。热挤压变形导致基体组织细化、TiBw沿挤压方向定向排布和基体连通性变好,从而进一步提高了复合材料的强韧性,在挤压方向上的拉伸强度和室温延伸率分别从1098MPa,6.2%增加到了1227MPa,10.2%。为了缩短制备流程、降低成本以满足现代工业对产品高性价比的要求,采用粉体预烧结-包套挤压的工艺制备出增强体也呈柱状网络分布的钛基复合材料,并研究了挤压工艺参数(挤压温度和挤压比)对复合材料组织性能的影响,优化了工艺参数。通过对不同温度(α+β相区--950°C,接近β相变点--1050°C,β相区--1150°C)制备的钛基复合材料的室温力学性能及组织分析表明,挤压温度对晶须分布没有明显影响,但是使基体组织差异明显进而影响复合材料力学性能。当挤压温度在相变点附近时(1050°C)制备的复合材料出现了明显的晶界脆化现象,因此应避免在相变点附近进行挤压;当挤压温度为1150°C,复合材料呈现出优异的综合性能,室温强度和塑性分别达到1140MPa、7.8%。通过对不同挤压比(6:1、11:1、17:1)制备的钛基复合材料室温拉伸性能及组织分析表明,挤压比对晶须分布有明显的影响,基体组织都呈典型的动态再结晶组织。随着挤压比增大,复合材料中沿着挤压方向的织构明显增强,材料的强度逐渐提高,塑性逐渐降低。当挤压比为17:1时,基体和晶须出现了变形不协调的现象,因此对于TiBw增强钛基复合材料进行挤压变形时,挤压比不宜过大。室温断裂机制研究表明,拉伸过程中,晶须先于基体发生断裂并产生微裂纹,但是裂纹会被基体钝化不会迅速扩展,从而使增强体呈柱状网络分布的钛基复合材料的强韧性得以充分发挥。高温断裂机制研究表明,分布在基体高温β相晶界的TiBw可以有效地强化晶界,形成高温‘晶界强化’效应,使柱状网络结构TiBw/TA15复合材料具有优异的高温性能,使用温度比基体TA15合金提高约100~150°C。但是当拉伸温度超过700°C时,基体发生软化,晶须与基体发生脱粘,TiB晶须已经不能强化基体。观察断口不同位置的组织可以定性分析复合材料室温和高温断裂过程及其断裂失效机制。
【图文】：

界面图,钛基复合材料,TiB晶须,基体

但是其弹性模量约为纯钛的 4~5 倍，会降低制备的钛基复合材料中的残余应力。iB 和基体之间的界面干净，不会在制备和使性能有害的物质。因此原位反应生成的 TiB增强相[26,27]。此外，原位反应生成的 TiC 颗较好的增强相。特别是在基体合金中加入 B粒增强体。表 1-1 钛基复合材料中常用增强相的性能[18,108,1 1-1 Properties of reinforcements commonly used in TM增强相TiB TiC TiN TiB2SiC m3) 4.56 4.92 5.43 4.52 3.19 GPa) 371 450 390 540 420 10-6K-1) 7.15 7.95 9.35 6.2 4.3 ) 2473 3433 3493 3253 3243 t.%) <0.001 1.8 22 不稳定不稳定

力学性能,复合材料,长径比,钛基复合材料

图 1-2 10vol.% TiCp/TA15 复合材料热处理前后力学性能图[115he mechanical properties of 10vol.% TiCp/TA15 composites befoheat-treatment[115]oung Koo等[35]通过此方法制备出了出了不同长径比TiB合材料，指出晶须长径比超过58时相对于长径比较小果。美国学者Soboyejo[118]等人采用熔铸法制备出了TiB然后挤压得到TiB晶须定向排布的钛基复合材料，发现明显改善。此外还对挤压后的材料进行了热处理改性rty[119]等人采用电弧熔炼技术制备了TiBw增强的钛基复体含量对复合材料组织和性能的影响，指出增强体含。制备的钛基复合材料基体组织粗化严重，，易产生成分外，增强体在基体中的分布状态难以控制，致密度相续的热变形加工(挤压、轧制等)来进一步提高复合材料[120]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】