原位自生鈦基復合材料的熱氫處理研究.pdf

1、鈦基復合材料具有比鈦合金更高的比強度和比模量，優(yōu)異的高溫性能和蠕變性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。近凈塑性成形具有生產(chǎn)工序少、成本低、材料利用率高等優(yōu)點，是鈦基復合材料理想的成形方式。而高溫變形塑性差、流變應(yīng)力大、設(shè)備要求高、高溫防護費用高等特點使鈦基復合材料的近凈塑性成形等熱加工變得困難。近些年發(fā)展起來的熱氫處理技術(shù)，能夠改善鈦合金的高溫塑性，降低熱變形的流變應(yīng)力和成形溫度，從而降低其熱加工成本。
　　 針對鈦基復合材料熱加工困難的

2、問題，本課題將熱氫處理技術(shù)應(yīng)用于改善顆粒增強鈦基復合材料的熱加工：制備了綜合力學性能良好的原位自生鈦基復合材料，研究了其置氫行為及置氫后的微結(jié)構(gòu)和相變，闡明了置氫鈦基復合材料高溫流變行為和組織演變的規(guī)律，建立了高溫變形的本構(gòu)方程和加工圖，開展了超塑性研究并探索了其超塑變形機制，最后對大尺寸的鈦基復合材料進行了熱氫處理并研究了其微觀組織和力學性能。獲得如下主要結(jié)論：
　　 利用Ti與B4C粉末和石墨之間的反應(yīng)，采用熔鑄法成功制備了

3、增強體含量為5 vol.％的原位自生(TiB+TiC)/Ti-6Al-4V復合材料。鈦基復合材料棒材的室溫屈服強度和抗拉強度均比Ti-6Al-4V合金提高了10％以上，延伸率為12.6％。
　　 研究了鈦基復合材料的置氫行為、置氫后的微結(jié)構(gòu)和相變。隨著置氫溫度升高，置氫組織逐漸粗大。在750℃置氫，隨氫含量增加，β1相和δ氫化物相逐漸增多，氫化物的體積效應(yīng)導致α相內(nèi)形成較多位錯和氫化物內(nèi)部出現(xiàn)孿晶結(jié)構(gòu)。置氫顯著降低了鈦基復合材料

4、的α+β/β相變溫度。氫含量超過0.45wt.％，相變溫度下降約200℃，達到共析轉(zhuǎn)變溫度。
　　 研究了不同氫含量的鈦基復合材料在不同變形溫度和應(yīng)變速率下的高溫流變行為和組織演變，闡明了其高溫變形的規(guī)律。置氫鈦基復合材料的流變應(yīng)力隨變形溫度升高而減小，隨應(yīng)變速率增加而增大。置氫降低了鈦基復合材料的流變應(yīng)力，隨氫含量增加，流變應(yīng)力先降低后升高。氫對α相的軟化、對β相的固溶強化以及氫化物的析出導致流變應(yīng)力出現(xiàn)最小值。在相同應(yīng)力水平

5、下，置氫降低了變形溫度，提高了應(yīng)變速率。在兩相區(qū)變形，α相的動態(tài)再結(jié)晶是主要的軟化機制。置氫加快了α相的動態(tài)再結(jié)晶速度，降低了α相的動態(tài)再結(jié)晶溫度。置氫還改善了增強體和基體的協(xié)調(diào)變形。在高應(yīng)變速率下變形，置氫材料的組織相對細小，動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)也較小。在α+β相區(qū)獲得最多β相的氫含量為鈦基復合材料的最佳氫含量，此時流變應(yīng)力最小。
　　 通過700℃～950℃和0.001s-1～10s-1的等溫壓縮實驗，建立了原始鈦基復合材料和

6、置氫鈦基復合材料(0.40wt.％H)的本構(gòu)方程和加工圖。與原始鈦基復合材料相比，置氫鈦基復合材料在α+β相區(qū)的變形激活能沒有變化；變形溫度低與增強體的共同作用導致置氫鈦基復合材料在β相區(qū)的變形激活能較高。置氫顯著降低了鈦基復合材料獲得高的功率耗散效率的溫度，減小了其加工圖中的失穩(wěn)區(qū)。在低溫、高應(yīng)變速率下變形，絕熱引起的局部塑性流變和增強體與基體界面開裂是失穩(wěn)的主要因為；在中溫、中應(yīng)變速率下變形，動態(tài)再結(jié)晶是獲得高的功率耗散效率的主要因

7、為。
　　 研究了置氫鈦基復合材料的超塑性能、流變行為和組織演變，探討了其超塑變形機理。置氫顯著降低了鈦基復合材料的最佳超塑變形溫度，提高了其最佳應(yīng)變速率。在相同的延伸率下，可降低超塑變形溫度100℃或提高應(yīng)變速率一個數(shù)量級。置氫減少和推遲了增強體和基體不協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生的孔洞和裂紋，使鈦基復合材料的超塑性能得到顯著改善。氫化物和增強體穩(wěn)定了置氫組織，使高氫含量的鈦基復合材料在中、高應(yīng)變速率下獲得了最好的超塑性能。晶/相界運動是置氫

8、鈦基復合材料主要的超塑變形機制，而位錯運動和動態(tài)再結(jié)晶在超塑變形的過程起到了協(xié)調(diào)變形的作用。
　　 對大尺寸的鈦基復合材料進行了熱氫處理并研究了其微觀組織和力學性能。在1000℃～880℃進行鍛造，氫含量為0wt.％和0.15wt.％的材料獲得了等軸α+β組織；氫含量為0.60wt.％的材料獲得了α"馬氏體相和β相的組織。經(jīng)真空退火后，氫含量為0.60wt.％的材料室溫和高溫(400℃)抗拉強度均比氫含量為0wt.％的材料提高l