增強(qiáng)體準(zhǔn)連續(xù)網(wǎng)狀分布鈦基復(fù)合材料研究.pdf

1、本文以提高鈦基復(fù)合材料室溫塑性和高溫強(qiáng)度為目標(biāo)，設(shè)計(jì)出一種增強(qiáng)體呈準(zhǔn)連續(xù)網(wǎng)狀分布的鈦基復(fù)合材料，并利用原位反應(yīng)自生技術(shù)結(jié)合粉末冶金的方法，采用機(jī)械混粉加熱壓燒結(jié)技術(shù)，基于大尺寸鈦合金粉與細(xì)小TiB2粉成功制備出增強(qiáng)體準(zhǔn)連續(xù)網(wǎng)狀分布的TiB晶須增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(TiBw/Ti)。網(wǎng)狀分布的增強(qiáng)相有效地提高了增強(qiáng)體的增強(qiáng)效果及基體的韌化效果，因此復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的室溫及高溫綜合力學(xué)性能。采用掃描電鏡(SEM)對(duì)復(fù)合材料中增強(qiáng)體準(zhǔn)連續(xù)網(wǎng)狀分

2、布結(jié)構(gòu)特征、增強(qiáng)體形態(tài)與分布、基體組織及裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了研究。采用室溫拉伸、室溫壓縮、超聲共振技術(shù)及高溫拉伸方法對(duì)不同狀態(tài)復(fù)合材料強(qiáng)度、塑性、彈性模量、泊松比及高溫性能進(jìn)行了測(cè)試及評(píng)價(jià)，分析了增強(qiáng)體網(wǎng)狀分布復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制；并研究了后續(xù)熱擠壓、熱軋制、熱處理等強(qiáng)化手段對(duì)其組織與性能的影響。
　　采用相同的原料及燒結(jié)工藝、不同的球磨工藝，成功制備出了增強(qiáng)體分別呈均勻分布與準(zhǔn)連續(xù)網(wǎng)狀分布的TiBw/Ti復(fù)合材料。室溫拉伸性能測(cè)試表

3、明，增強(qiáng)體呈準(zhǔn)連續(xù)網(wǎng)狀分布較增強(qiáng)體呈均勻分布的燒結(jié)態(tài)TiBw/Ti復(fù)合材料顯示出了更優(yōu)異的強(qiáng)度及塑性。增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)為8.5％的TiBw/Ti復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度較純Ti提高了71%，室溫延伸率保持到11.5%。
　　采用相同工藝制備了系列不同增強(qiáng)體含量的準(zhǔn)連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiBw/TC4(200μm)復(fù)合材料，優(yōu)化了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)(網(wǎng)的尺寸及網(wǎng)中局部增強(qiáng)相含量)。其中網(wǎng)的尺寸取決于原始基體顆粒尺寸；網(wǎng)中局部增強(qiáng)相含量取決于原始基體顆粒尺寸

4、和復(fù)合材料平均增強(qiáng)相含量。室溫拉伸性能及 SEM組織分析表明，由于特殊的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，存在最佳的增強(qiáng)體含量及基體顆粒尺寸。其中對(duì)于直徑為200μm的TC4原始基體顆粒，當(dāng)復(fù)合材料平均增強(qiáng)相含量為5vol.%時(shí)，得到最佳的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和綜合性能。在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，除了觀察到大量的棒狀晶須，還發(fā)現(xiàn)了樹枝狀、自焊接、機(jī)械鎖、爪子狀等分叉晶須，進(jìn)一步增加了增強(qiáng)相晶須的增強(qiáng)效果和裂紋阻礙作用。在復(fù)合材料冷卻過(guò)程中，由于β→α相變的體積收縮受到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的限制，

5、促進(jìn)了網(wǎng)內(nèi)等軸α相的形成，提高了基體塑性。
　　原始顆粒尺寸和復(fù)合材料平均增強(qiáng)相含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能有很大影響。當(dāng)原始顆粒尺寸一定時(shí)，隨平均增強(qiáng)相含量的提高，復(fù)合材料的強(qiáng)度提高，塑性下降；當(dāng)平均增強(qiáng)相含量一定時(shí)，隨原始顆粒尺寸的增加，復(fù)合材料的強(qiáng)度提高，塑性下降。當(dāng)原始TC4顆粒尺寸為110μm，復(fù)合材料平均增強(qiáng)相含量為8.5vol.%時(shí)，燒結(jié)態(tài)TiBw/TC4復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度與延伸率分別達(dá)到1288MPa和2.6%；當(dāng)原始TC

6、4顆粒尺寸為200μm，復(fù)合材料平均增強(qiáng)相含量為3.5vol.%時(shí)，TiBw/TC4復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度與延伸率分別達(dá)到1035MPa和6.5%。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高效承載能力和梯度界面導(dǎo)致高的界面結(jié)合強(qiáng)度是復(fù)合材料強(qiáng)化的主要原因；網(wǎng)內(nèi)基體合金塑性的充分發(fā)揮和網(wǎng)中晶須對(duì)裂紋的阻礙作用是復(fù)合材料塑性提高的主要原因。
　　斷裂研究表明，在復(fù)合材料整體斷裂之前，網(wǎng)中部分晶須發(fā)生折斷，并伴隨著微裂紋的產(chǎn)生，裂紋在網(wǎng)中擴(kuò)展過(guò)程中受到晶須阻礙作用，裂紋發(fā)

7、生分叉，提高了斷裂消耗的能量，改善了復(fù)合材料的強(qiáng)韌性。
　　由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，局部增強(qiáng)相含量較高，使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有較高的高溫承載能力，同時(shí)網(wǎng)中晶須的梯度分布使網(wǎng)與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度提高，形成高溫“晶界強(qiáng)化”效應(yīng)，導(dǎo)致網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiBw/TC4復(fù)合材料表現(xiàn)出更高的高溫強(qiáng)度。高溫拉伸性能測(cè)試表明，以相同的拉伸強(qiáng)度為判據(jù)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiBw/TC4復(fù)合材料的使用溫度比TC4合金可以提高150-200℃。
　　熱變形和熱處理可以進(jìn)一步改善復(fù)