【摘要】：鈦合金料擁有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良特點(diǎn),是用于航空航天領(lǐng)域的理想材料。由向鈦合金內(nèi)引入增強(qiáng)體而制成的鈦基復(fù)合材料擁有更高的比強(qiáng)度及高溫性能,但傳統(tǒng)增強(qiáng)體均勻分布的思路會(huì)嚴(yán)重降低材料塑性,限制了材料的應(yīng)用。增強(qiáng)體網(wǎng)狀分布的鈦基復(fù)合材料是近年來(lái)出現(xiàn)的新型鈦基復(fù)合材料,其在提高了材料比強(qiáng)度及高溫強(qiáng)度的同時(shí)保留了材料的塑性,具有廣泛的應(yīng)用前景。硅元素被廣泛用以改善鈦合金及鈦基復(fù)合材料的高溫性能,但與此同時(shí)也使材料的熱變形加工變得更為困難。本論文以指導(dǎo)含硅鈦基復(fù)合材料的熱加工為目的,通過(guò)對(duì)不同硅含量的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiB晶須與硅化物增強(qiáng)TA15復(fù)合材料進(jìn)行高溫壓縮測(cè)試,以熱變形本構(gòu)方程及熱加工圖的形式表征材料的熱變形行為,并通過(guò)組織觀察獲得材料組織在熱加工過(guò)程中的演化規(guī)律。將不同含硅量材料的熱變形行為及組織演化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比,研究硅的添加對(duì)材料熱變形行為及組織的影響,研究TiBw增強(qiáng)體及硅化物增強(qiáng)相在材料熱變形過(guò)程中對(duì)材料的影響機(jī)制。使用粉末冶金手段制備了含硅量0.5wt%及1wt.%的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiB晶須與硅化物增強(qiáng)TA15復(fù)合材料。燒結(jié)獲得的復(fù)合材料中TiBw成網(wǎng)狀分布,網(wǎng)格尺寸約為100μm;基體中α及β相呈網(wǎng)籃狀分布,硅化物分布于材料中的α/β相界面上,尺寸約200nm,種類(lèi)為(TiZr)_5Si_3及(TiZr)_6Si_3。與TA15相比,TiB晶須與硅化物增強(qiáng)TA15復(fù)合材料由于TiBw的加入,組織得到了顯著細(xì)化。室溫拉伸性能測(cè)試表明TiB晶須與硅化物增強(qiáng)TA15復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可達(dá)1000MPa以上,Ti Bw的加入同時(shí)提高了材料的強(qiáng)度及延伸率。Si的添加會(huì)導(dǎo)致材料室溫拉伸強(qiáng)度的提高,并降低材料延伸率。高溫拉伸性能測(cè)試表明含硅0.5wt.%及1wt.%的TiB晶須與硅化物增強(qiáng)TA15復(fù)合材料在650℃下強(qiáng)度可分別達(dá)到550MPa及680MPa,顯著高于TA15合金。通過(guò)高溫壓縮試驗(yàn)測(cè)試了復(fù)合材料在1s~(-1)-0.001s~(-1)應(yīng)變速率及870℃-1100℃變形溫度下的流變應(yīng)力曲線,并據(jù)此計(jì)算了材料峰值應(yīng)力的熱變形本構(gòu)方程及熱加工圖。測(cè)試表明硅的添加會(huì)提高材料在各個(gè)溫度及應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力及其溫度敏感性,且在雙相區(qū)對(duì)材料的強(qiáng)化效果要強(qiáng)于單相區(qū)。含硅0.5wt.%及1wt.%的材料在α+β的熱變形激活能分別為594KJ/mol及651KJ/mol,在β相區(qū)的熱變形激活能分別為338KJ/mol及319KJ/mol。含硅0.5wt.%的材料在各個(gè)溫度區(qū)間均未出現(xiàn)宏觀失穩(wěn)現(xiàn)象,而含硅1wt.%的材料在870℃、1s~(-1)下出現(xiàn)了宏觀裂紋。兩種材料的熱加工圖在910℃~950℃,0.1s~(-1)~0.01s~(-1)處出現(xiàn)峰值,且在1020℃各個(gè)應(yīng)變速率下均有較高的能量耗散效率,說(shuō)明材料在雙相區(qū)中適于在910℃~950℃,0.1s~(-1)~0.01~(-1)進(jìn)行加工,在單相區(qū)中則適宜在1020℃下進(jìn)行加工。高溫壓縮后組織分析表明材料在雙相區(qū)中變形時(shí),材料中主要發(fā)生α片層球化及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象隨溫度的升高及應(yīng)變速率的降低而增強(qiáng),再結(jié)晶位置多處于α/β相界及TiBw晶須上。硅含量的提高會(huì)導(dǎo)致熱變形過(guò)程中β相含量的減少,并使硅化物大量析出在集中變形區(qū)域的α/β界面上。在β相區(qū)進(jìn)行熱變形后得到的材料組織為全片層組織,在較低溫度下材料中發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)及再結(jié)晶,在較高溫度下主要發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)。TiBw在單相區(qū)熱變形中可以起到釘扎β晶界及促進(jìn)β相再結(jié)晶的作用。硅化物在β相區(qū)將完全溶解,對(duì)材料只起固溶強(qiáng)化作用。TEM觀察發(fā)現(xiàn),雙相區(qū)熱變形中位錯(cuò)在TiBw及α/β界面上大量存在,同時(shí)再結(jié)晶也趨于在α/β界面及TiBw旁發(fā)生。變形后硅化物趨于在缺陷密度較高的TiBw附近、α/β界面處及再結(jié)晶區(qū)域析出,起到阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及再結(jié)晶晶界推移的作用。單相區(qū)熱變形中硅化物完全溶解,材料內(nèi)錯(cuò)密度較低,僅在α/β相界上觀察到位錯(cuò)存在。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB333
【圖文】：

其剖面圖如圖 1-1 所示。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)燃料燃燒旋轉(zhuǎn)，從而在提供動(dòng)力的同時(shí)將更多的空氣壓縮入燃燒室以要分為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)和類(lèi)。這幾類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)及部分巡及低超音速飛行中提供動(dòng)力[12]。

圖 1-2 CRTMCs 的制備工藝示意圖，從左至右分別為 FFF 法，MT 法及 MCF 法[17]通過(guò)原位反應(yīng)生成增強(qiáng)體的工藝多種多樣，常用的工藝有反應(yīng)熱壓燒結(jié)、機(jī)金化、放電等離子燒結(jié)、自蔓延高溫合成法及固-氣反應(yīng)法等多種類(lèi)型。這些利用鈦元素的高反應(yīng)活性，通過(guò)向合金中添加反應(yīng)元素(通常為碳或硼)，使其溫下同鈦元素反應(yīng)生成增強(qiáng)體。通過(guò)原位反應(yīng)生成的增強(qiáng)體形貌與制備工藝相關(guān)。利用現(xiàn)代工藝，增強(qiáng)體原位生成的鈦基復(fù)合材料可以獲得優(yōu)良的機(jī)械性過(guò) TiB2粉末及鈦粉由選區(qū)激光熔融(Selective Laser Melting, SLM)工藝制作出基復(fù)合材料擁有亞微米級(jí)的增強(qiáng)體尺寸，其壓縮強(qiáng)度達(dá)到 1420MPa，且可制理論上任意復(fù)雜的零件[18]。利用激光亦可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體的定向引入。利用激光滲氮技術(shù)，Lisiecki 在鈦合金表面引入了 TiN/Ti 復(fù)合材料增強(qiáng)層，使材料的表度由 500HV 提升至了 1500HV 以上[19]。以往針對(duì)鈦基復(fù)合材料的研究通常關(guān)注增強(qiáng)體的類(lèi)型及形貌，在制備材料程中追求盡量均勻的增強(qiáng)體分布。但近年來(lái)，增強(qiáng)體的非均勻分布對(duì)材料性能響也漸漸進(jìn)入人們的視野。而黃陸軍教授根據(jù) H-S 模型[20]“硬相包圍軟相”的設(shè)計(jì)制作出了一種增強(qiáng)體準(zhǔn)連續(xù)網(wǎng)狀分布的 TiBw/Ti 復(fù)合材料[10]

a) 原位合成 TiBw 的晶體取向[10]；b) TiBw 隨材復(fù)合料變形的重取向示意 β 轉(zhuǎn)變溫度以上進(jìn)行熱變形時(shí)，材料中的 α 相將完全消失。由于自擴(kuò)散系數(shù)，在發(fā)生 β 轉(zhuǎn)變后材料內(nèi)的 β 晶粒會(huì)迅速長(zhǎng)大合并 晶粒。對(duì)于無(wú)增強(qiáng)體的鈦合金，在 β 相區(qū)進(jìn)行熱加工會(huì)使材料損害材料的機(jī)械性能，因而常在稍低于 β 轉(zhuǎn)變溫度的兩相區(qū)進(jìn)行由于增強(qiáng)體對(duì)晶界遷移存在阻礙作用，晶粒不易過(guò)分長(zhǎng)大，且熱再結(jié)晶行為可進(jìn)一步細(xì)化 β 晶粒，因此 β 相區(qū)熱加工是鈦基復(fù)工工藝。上海交通大學(xué)的呂維潔等人研究了(TiBw+La2O3)/Ti 復(fù)熱變形，發(fā)現(xiàn) β 晶粒將沿變形方向被壓扁，并隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)項(xiàng)鏈狀析出再結(jié)晶 β 晶粒，形成典型的不完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織(如潔等人認(rèn)為，變形程度不足時(shí)形成的項(xiàng)鏈狀再結(jié)晶 β 晶粒實(shí)際微觀組織的局部不均勻，對(duì)材料性能會(huì)造成不利影響[24]。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2786176