TiBw-Ti60復(fù)合材料高溫變形行為與熱處理研究.pdf

1、針對航天航空領(lǐng)域?qū)梢栽?00～800℃使用的輕質(zhì)、耐熱、高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的迫切需求，制備一種TiB晶須增強(qiáng)Ti60合金基體的復(fù)合材料，并研究復(fù)合材料的熱壓縮、熱擠壓變形和熱處理改性的理論基礎(chǔ)和技術(shù)問題。以Ti60(～110μm)-TiB2(3～5μm)粉末為原料，采用低能球磨和反應(yīng)熱壓燒結(jié)相結(jié)合的技術(shù)成功制備了TiB晶須體積分?jǐn)?shù)為1.7％、3.4%和5.1%的TiBw/Ti60復(fù)合材料。通過高溫壓縮試驗(yàn)研究復(fù)合材料的高溫變形行為，并分析其

2、壓縮組織演變規(guī)律；采用X射線衍射儀(XRD)、光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、電子背散射衍射分析技術(shù)(EBSD)對燒結(jié)態(tài)和擠壓態(tài)的復(fù)合材料物相、組織以及拉伸斷口進(jìn)行分析；采用透射電鏡(TEM)對復(fù)合材料的微觀組織、亞結(jié)構(gòu)及其在熱變形及熱處理后組織變化進(jìn)行表征與分析。測試了燒結(jié)態(tài)、擠壓態(tài)以及熱處理態(tài)復(fù)合材料的室溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能，分析了擠壓變形以及熱處理對復(fù)合材料組織和性能的影響機(jī)制。
　　微觀組織觀察表明，顆粒狀的T

3、iB2經(jīng)熱壓燒結(jié)后原位反應(yīng)生成 TiB晶須，并且呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布在原始Ti60顆粒周圍。增強(qiáng)體含量變化并沒有改變復(fù)合材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征，只是隨增強(qiáng)體總含量的增加網(wǎng)狀界面處 TiB晶須局部含量增大。TEM組織表明，增強(qiáng)體與基體之間界面清潔無其它界面相，并且燒結(jié)態(tài)復(fù)合材料在基體內(nèi)部有Ti3Al相析出。體積分?jǐn)?shù)為1.7 vol.%、3.4 vol.%和5.1vol.%網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiBw/Ti60復(fù)合材料的室溫抗拉強(qiáng)度分別較Ti60合金提高了9%、

4、11%以及15%。1.7%和3.4%體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料室溫延伸率可以保證在3%左右。而對于燒結(jié)態(tài)5.1vol.%TiB晶須/Ti60復(fù)合材料，其室溫延伸率僅有0.5%。
　　通過高溫壓縮試驗(yàn)，揭示了3.4vol.%TiB晶須增強(qiáng)Ti60復(fù)合材料高溫變形行為。在兩相區(qū)發(fā)生明顯的流變軟化現(xiàn)象，并且這種流變軟化程度隨著溫度的升高而降低。在950℃以上，流變軟化程度隨著應(yīng)變速率的降低而升高。OM和EBSD組織分析表明，在兩相區(qū)初生α相的球

5、化過程主要以亞晶界旋轉(zhuǎn)機(jī)制進(jìn)行的非連續(xù)再結(jié)晶過程，并且隨著溫度的升高與應(yīng)變速率的降低球化過程越加充分，小角晶界含量降低。在β單相區(qū)變形主要是β晶粒形核長大及以晶界遷移機(jī)制進(jìn)行的連續(xù)再結(jié)晶過程。在適當(dāng)?shù)淖冃螚l件下TiB晶須的存在會促進(jìn)這兩個(gè)過程的進(jìn)行。采用雙曲正弦模型構(gòu)建了TiBw/Ti60復(fù)合材料壓縮變形的本構(gòu)方程，計(jì)算得到兩相區(qū)平均變形激活能為765.07 kJ/mol。熱加工圖表明：理想變形工藝為在近β相區(qū)或者β相區(qū)加工，應(yīng)變速率在

6、0.001～0.5s-1之間。其中在950℃應(yīng)變速率為0.03s-1時(shí)會出現(xiàn)能量耗散效率因子峰值區(qū)域。
　　為進(jìn)一步提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，對TiBw/Ti60復(fù)合材料進(jìn)行熱擠壓變形。坯料加熱溫度為1200℃，擠壓比為10:1。微觀組織分析表明：熱擠壓變形使增強(qiáng)體TiB晶須沿?cái)D壓方向呈定向分布狀態(tài)，TiB晶須出現(xiàn)不同程度的斷裂，隨著增強(qiáng)體含量的增多，其斷裂的越嚴(yán)重。熱擠壓變形后，基體合金晶粒尺寸得到明顯細(xì)化，平均晶粒尺寸從30μm

7、降低到10μm，燒結(jié)態(tài)析出的α2相得到回溶，同時(shí)復(fù)合材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的<0001>α//ED和較弱的<1011>α//ED兩種絲織構(gòu)特點(diǎn)。TiBw/Ti60復(fù)合材料的室溫力學(xué)性能經(jīng)過熱擠壓變形后得到全面的提升。1.7vol.%、3.4vol.%和5.1vol.%TiBw/Ti60擠壓態(tài)復(fù)合材料較燒結(jié)態(tài)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度分別提高了23%、25%和29%，較擠壓態(tài)Ti60合金分別提高了18.2%、26.9%和33.3%。其中3.4vol.%復(fù)

8、合材料的具有較好的綜合室溫力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到1364MPa，延伸率達(dá)到5.5%。斷口分析觀察到大量晶須的多節(jié)斷裂現(xiàn)象表明這種復(fù)合材料具有優(yōu)異的晶須增強(qiáng)效果以及良好塑性。高溫拉伸測試表明，擠壓態(tài)TiBw/Ti60復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，其中在600℃，5.1vol.%TiBw/Ti60復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到992MPa。在700℃，5.1vol.%TiBw/Ti60復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到784MPa。
　　擠壓態(tài)TiBw/Ti

9、60復(fù)合材料的熱處理研究表明：復(fù)合材料經(jīng)過750℃/1h/AC退火處理后，復(fù)合材料內(nèi)部組織形貌并沒有發(fā)生明顯變化，但TEM組織表明擠壓后所產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)和位錯得到了回復(fù)。經(jīng)過1000℃/2h/AC+600～700℃/5h/AC兩相區(qū)固溶與時(shí)效處理后，在初生α相內(nèi)析出α2有序相，α2相與母相之間的位向關(guān)系為[0111]α//[1102]α2和(1011)α//(2021)α2，α2析出相在位錯和界面處尺寸較大；并且在初生α2相內(nèi)和β轉(zhuǎn)變組織