【摘要】：鈦合金輕質(zhì)高強,在航空航天航海等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。鈦基復(fù)合材料是在鈦合金中加入增強體以提高鈦合金耐磨性、耐高溫、比強度,在提高鈦合金的綜合力學(xué)性能、拓寬其應(yīng)用前景方面具有很大的潛力。本文以增強體在基體中的空間分布對鈦基復(fù)合材料的強韌化影響機制為基礎(chǔ),以熱壓燒結(jié)-擠壓和粉體預(yù)燒結(jié)-擠壓兩種工藝,在充分強化鈦合金基體的同時,發(fā)揮增強體定向強化特性,制備出具有優(yōu)異性能的增強體呈柱狀網(wǎng)絡(luò)分布的鈦基復(fù)合材料,并對制備工藝進行了優(yōu)化,同時研究了其強化機理和斷裂失效機制。首先選用熱壓燒結(jié)-擠壓工藝制備出增強體呈柱狀網(wǎng)絡(luò)分布的鈦基復(fù)合材料。以直徑~110μm的TA15球形鈦粉和平均粒徑3μm的TiB_2為原材料采用低能球磨隨后熱壓燒結(jié)的工藝,不同的原料配比,制備出不同TiB晶須含量的3D網(wǎng)狀分布的TiBw/TA15復(fù)合材料,研究了TiB晶須含量對復(fù)合材料組織性能的影響。隨后選擇室溫力學(xué)性能優(yōu)異的2.5vol.%TiBw/TA15復(fù)合材料進行擠壓制備出增強體呈柱狀網(wǎng)絡(luò)分布的鈦基復(fù)合材料棒材。熱擠壓變形導(dǎo)致基體組織細化、TiBw沿擠壓方向定向排布和基體連通性變好,從而進一步提高了復(fù)合材料的強韌性,在擠壓方向上的拉伸強度和室溫延伸率分別從1098MPa,6.2%增加到了1227MPa,10.2%。為了縮短制備流程、降低成本以滿足現(xiàn)代工業(yè)對產(chǎn)品高性價比的要求,采用粉體預(yù)燒結(jié)-包套擠壓的工藝制備出增強體也呈柱狀網(wǎng)絡(luò)分布的鈦基復(fù)合材料,并研究了擠壓工藝參數(shù)(擠壓溫度和擠壓比)對復(fù)合材料組織性能的影響,優(yōu)化了工藝參數(shù)。通過對不同溫度(α+β相區(qū)--950°C,接近β相變點--1050°C,β相區(qū)--1150°C)制備的鈦基復(fù)合材料的室溫力學(xué)性能及組織分析表明,擠壓溫度對晶須分布沒有明顯影響,但是使基體組織差異明顯進而影響復(fù)合材料力學(xué)性能。當(dāng)擠壓溫度在相變點附近時(1050°C)制備的復(fù)合材料出現(xiàn)了明顯的晶界脆化現(xiàn)象,因此應(yīng)避免在相變點附近進行擠壓;當(dāng)擠壓溫度為1150°C,復(fù)合材料呈現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能,室溫強度和塑性分別達到1140MPa、7.8%。通過對不同擠壓比(6:1、11:1、17:1)制備的鈦基復(fù)合材料室溫拉伸性能及組織分析表明,擠壓比對晶須分布有明顯的影響,基體組織都呈典型的動態(tài)再結(jié)晶組織。隨著擠壓比增大,復(fù)合材料中沿著擠壓方向的織構(gòu)明顯增強,材料的強度逐漸提高,塑性逐漸降低。當(dāng)擠壓比為17:1時,基體和晶須出現(xiàn)了變形不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象,因此對于TiBw增強鈦基復(fù)合材料進行擠壓變形時,擠壓比不宜過大。室溫斷裂機制研究表明,拉伸過程中,晶須先于基體發(fā)生斷裂并產(chǎn)生微裂紋,但是裂紋會被基體鈍化不會迅速擴展,從而使增強體呈柱狀網(wǎng)絡(luò)分布的鈦基復(fù)合材料的強韌性得以充分發(fā)揮。高溫斷裂機制研究表明,分布在基體高溫β相晶界的TiBw可以有效地強化晶界,形成高溫‘晶界強化’效應(yīng),使柱狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)TiBw/TA15復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫性能,使用溫度比基體TA15合金提高約100~150°C。但是當(dāng)拉伸溫度超過700°C時,基體發(fā)生軟化,晶須與基體發(fā)生脫粘,TiB晶須已經(jīng)不能強化基體。觀察斷口不同位置的組織可以定性分析復(fù)合材料室溫和高溫斷裂過程及其斷裂失效機制。
【圖文】：

但是其彈性模量約為純鈦的 4~5 倍，會降低制備的鈦基復(fù)合材料中的殘余應(yīng)力。iB 和基體之間的界面干凈，不會在制備和使性能有害的物質(zhì)。因此原位反應(yīng)生成的 TiB增強相[26,27]。此外，原位反應(yīng)生成的 TiC 顆較好的增強相。特別是在基體合金中加入 B粒增強體。表 1-1 鈦基復(fù)合材料中常用增強相的性能[18,108,1 1-1 Properties of reinforcements commonly used in TM增強相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 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定

圖 1-2 10vol.% TiCp/TA15 復(fù)合材料熱處理前后力學(xué)性能圖[115he mechanical properties of 10vol.% TiCp/TA15 composites befoheat-treatment[115]oung Koo等[35]通過此方法制備出了出了不同長徑比TiB合材料，指出晶須長徑比超過58時相對于長徑比較小果。美國學(xué)者Soboyejo[118]等人采用熔鑄法制備出了TiB然后擠壓得到TiB晶須定向排布的鈦基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)明顯改善。此外還對擠壓后的材料進行了熱處理改性rty[119]等人采用電弧熔煉技術(shù)制備了TiBw增強的鈦基復(fù)體含量對復(fù)合材料組織和性能的影響，指出增強體含。制備的鈦基復(fù)合材料基體組織粗化嚴(yán)重，，易產(chǎn)生成分外，增強體在基體中的分布狀態(tài)難以控制，致密度相續(xù)的熱變形加工(擠壓、軋制等)來進一步提高復(fù)合材料[120]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33

【參考文獻】

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本文編號：2649104