TiB晶须与硅化物增强TA15复合材料热变形行为与组织演化

发布时间：2020-08-08 22:07

【摘要】：钛合金料拥有轻质、高强、耐高温、耐腐蚀等优良特点,是用于航空航天领域的理想材料。由向钛合金内引入增强体而制成的钛基复合材料拥有更高的比强度及高温性能,但传统增强体均匀分布的思路会严重降低材料塑性,限制了材料的应用。增强体网状分布的钛基复合材料是近年来出现的新型钛基复合材料,其在提高了材料比强度及高温强度的同时保留了材料的塑性,具有广泛的应用前景。硅元素被广泛用以改善钛合金及钛基复合材料的高温性能,但与此同时也使材料的热变形加工变得更为困难。本论文以指导含硅钛基复合材料的热加工为目的,通过对不同硅含量的网状结构TiB晶须与硅化物增强TA15复合材料进行高温压缩测试,以热变形本构方程及热加工图的形式表征材料的热变形行为,并通过组织观察获得材料组织在热加工过程中的演化规律。将不同含硅量材料的热变形行为及组织演化规律进行对比,研究硅的添加对材料热变形行为及组织的影响,研究TiBw增强体及硅化物增强相在材料热变形过程中对材料的影响机制。使用粉末冶金手段制备了含硅量0.5wt%及1wt.%的网状结构TiB晶须与硅化物增强TA15复合材料。烧结获得的复合材料中TiBw成网状分布,网格尺寸约为100μm;基体中α及β相呈网篮状分布,硅化物分布于材料中的α/β相界面上,尺寸约200nm,种类为(TiZr)_5Si_3及(TiZr)_6Si_3。与TA15相比,TiB晶须与硅化物增强TA15复合材料由于TiBw的加入,组织得到了显著细化。室温拉伸性能测试表明TiB晶须与硅化物增强TA15复合材料的拉伸强度可达1000MPa以上,Ti Bw的加入同时提高了材料的强度及延伸率。Si的添加会导致材料室温拉伸强度的提高,并降低材料延伸率。高温拉伸性能测试表明含硅0.5wt.%及1wt.%的TiB晶须与硅化物增强TA15复合材料在650℃下强度可分别达到550MPa及680MPa,显著高于TA15合金。通过高温压缩试验测试了复合材料在1s~(-1)-0.001s~(-1)应变速率及870℃-1100℃变形温度下的流变应力曲线,并据此计算了材料峰值应力的热变形本构方程及热加工图。测试表明硅的添加会提高材料在各个温度及应变速率下的流变应力及其温度敏感性,且在双相区对材料的强化效果要强于单相区。含硅0.5wt.%及1wt.%的材料在α+β的热变形激活能分别为594KJ/mol及651KJ/mol,在β相区的热变形激活能分别为338KJ/mol及319KJ/mol。含硅0.5wt.%的材料在各个温度区间均未出现宏观失稳现象,而含硅1wt.%的材料在870℃、1s~(-1)下出现了宏观裂纹。两种材料的热加工图在910℃~950℃,0.1s~(-1)~0.01s~(-1)处出现峰值,且在1020℃各个应变速率下均有较高的能量耗散效率,说明材料在双相区中适于在910℃~950℃,0.1s~(-1)~0.01~(-1)进行加工,在单相区中则适宜在1020℃下进行加工。高温压缩后组织分析表明材料在双相区中变形时,材料中主要发生α片层球化及动态再结晶。动态再结晶现象随温度的升高及应变速率的降低而增强,再结晶位置多处于α/β相界及TiBw晶须上。硅含量的提高会导致热变形过程中β相含量的减少,并使硅化物大量析出在集中变形区域的α/β界面上。在β相区进行热变形后得到的材料组织为全片层组织,在较低温度下材料中发生动态回复及再结晶,在较高温度下主要发生动态回复。TiBw在单相区热变形中可以起到钉扎β晶界及促进β相再结晶的作用。硅化物在β相区将完全溶解,对材料只起固溶强化作用。TEM观察发现,双相区热变形中位错在TiBw及α/β界面上大量存在,同时再结晶也趋于在α/β界面及TiBw旁发生。变形后硅化物趋于在缺陷密度较高的TiBw附近、α/β界面处及再结晶区域析出,起到阻碍位错运动及再结晶晶界推移的作用。单相区热变形中硅化物完全溶解,材料内错密度较低,仅在α/β相界上观察到位错存在。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB333
【图文】：

剖面图,涡轮发动机,剖面图,涡轮螺旋桨发动机

其剖面图如图 1-1 所示。涡轮发动机通过燃料燃烧旋转，从而在提供动力的同时将更多的空气压缩入燃烧室以要分为涡轮喷气发动机、涡扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和类。这几类发动机主要应用于客机、运输机、战斗机及部分巡及低超音速飞行中提供动力[12]。

MT法,工艺,增强体,示意图

图 1-2 CRTMCs 的制备工艺示意图，从左至右分别为 FFF 法，MT 法及 MCF 法[17]通过原位反应生成增强体的工艺多种多样，常用的工艺有反应热压烧结、机金化、放电等离子烧结、自蔓延高温合成法及固-气反应法等多种类型。这些利用钛元素的高反应活性，通过向合金中添加反应元素(通常为碳或硼)，使其温下同钛元素反应生成增强体。通过原位反应生成的增强体形貌与制备工艺相关。利用现代工艺，增强体原位生成的钛基复合材料可以获得优良的机械性过 TiB2粉末及钛粉由选区激光熔融(Selective Laser Melting, SLM)工艺制作出基复合材料拥有亚微米级的增强体尺寸，其压缩强度达到 1420MPa，且可制理论上任意复杂的零件[18]。利用激光亦可实现增强体的定向引入。利用激光渗氮技术，Lisiecki 在钛合金表面引入了 TiN/Ti 复合材料增强层，使材料的表度由 500HV 提升至了 1500HV 以上[19]。以往针对钛基复合材料的研究通常关注增强体的类型及形貌，在制备材料程中追求尽量均匀的增强体分布。但近年来，增强体的非均匀分布对材料性能响也渐渐进入人们的视野。而黄陆军教授根据 H-S 模型[20]“硬相包围软相”的设计制作出了一种增强体准连续网状分布的 TiBw/Ti 复合材料[10]

原位合成,晶体取向

a) 原位合成 TiBw 的晶体取向[10]；b) TiBw 随材复合料变形的重取向示意 β 转变温度以上进行热变形时，材料中的 α 相将完全消失。由于自扩散系数，在发生 β 转变后材料内的 β 晶粒会迅速长大合并晶粒。对于无增强体的钛合金，在 β 相区进行热加工会使材料损害材料的机械性能，因而常在稍低于 β 转变温度的两相区进行由于增强体对晶界迁移存在阻碍作用，晶粒不易过分长大，且热再结晶行为可进一步细化 β 晶粒，因此 β 相区热加工是钛基复工工艺。上海交通大学的吕维洁等人研究了(TiBw+La2O3)/Ti 复热变形，发现 β 晶粒将沿变形方向被压扁，并随着动态再结晶过项链状析出再结晶 β 晶粒，形成典型的不完全动态再结晶组织(如洁等人认为，变形程度不足时形成的项链状再结晶 β 晶粒实际微观组织的局部不均匀，对材料性能会造成不利影响[24]。

【参考文献】