(TiB+TiC)-Ti復(fù)合材料高溫變形行為及組織性能研究.pdf

1、原位自生鈦基復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)度和比模量、優(yōu)異的疲勞和蠕變性能,有望在航空航天、先進(jìn)武器系統(tǒng)及汽車制造等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。然而,鈦基復(fù)合材料室溫塑性差,高溫變形抗力大,限制了其大規(guī)模的工程化應(yīng)用。本文采用真空感應(yīng)熔煉技術(shù)制備了不同(TiC+TiB)含量的鈦基復(fù)合材料,基體合金成分為Ti-6Al-2.5Sn-4Zr-0.7Mo-0.3Si。研究了增強(qiáng)相含量對(duì)鑄態(tài)復(fù)合材料顯微組織和力學(xué)性能的影響;闡明了(TiB+TiC)/Ti復(fù)合材

2、料的熱壓縮變形行為及組織演變規(guī)律;探討了熱加工過程中的組織性能對(duì)應(yīng)關(guān)系;開展了鈦基復(fù)合材料板材的超塑性研究并揭示了其超塑性變形機(jī)理和失效機(jī)制。
　　凝固析出的TiB和TiC相易于偏聚于原始β晶界處,TiB相主要呈晶須狀,而TiC則為近等軸狀,二者均與基體界面結(jié)合良好。TiB和TiC的引入細(xì)化了原始β晶粒和α片層,改變了α相的集束特征,并且使得α片層的取向更加隨機(jī)。β晶粒的細(xì)化機(jī)制為C與B在先析出的β-Ti界面前沿富集引起成分過冷及

3、抑制已析出的β-Ti生長。β晶粒的細(xì)化增多了β晶界,α相的形核位置增加,并且生長空間縮小,二者導(dǎo)致α片層發(fā)生細(xì)化。
　　TiB和TiC的存在顯著提高了鑄態(tài)(TiB+TiC)/Ti復(fù)合材料的室溫及高溫強(qiáng)度。室溫下,相比于基體合金,增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)分別為2.5％、5%、7.5%的復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度分別提高了16.2%、20.2%、28.3%。室溫屈服強(qiáng)度的提高主要是因?yàn)榛w組織的細(xì)化。高溫下,隨測試溫度升高,復(fù)合材料相對(duì)于基體合金的抗拉

4、強(qiáng)度增幅呈先增加后降低趨勢,在650℃時(shí)達(dá)到峰值。650℃以下復(fù)合材料強(qiáng)度提高主要?dú)w因于組織細(xì)化,增強(qiáng)相承載強(qiáng)化以及C的固溶強(qiáng)化,而700℃以上的原因是增強(qiáng)相承載強(qiáng)化和C的固溶強(qiáng)化。
　　采用熱物理模擬方法,研究了5vol.%(TiB+TiC)/Ti復(fù)合材料的熱壓縮變形行為,揭示了流變應(yīng)力與變形溫度和應(yīng)變速率之間的關(guān)系,峰值應(yīng)力和流變應(yīng)力均隨溫度的升高和應(yīng)變速率的減小而降低,且峰值應(yīng)力σp與(1000/T)、ln??之間都滿足線性

5、關(guān)系。該復(fù)合材料的熱變形激活能為608.3kJ·mol-1,硬化因子為4.27,建立了該復(fù)合材料(α+β)相區(qū)熱變形本構(gòu)方程,為后續(xù)熱變形參數(shù)的選擇和設(shè)備噸位的確定提供了指導(dǎo)。
　　闡明了5vol.%(TiB+TiC)/Ti復(fù)合材料熱壓縮過程中的組織演變規(guī)律和軟化機(jī)制。該復(fù)合材料的變形組織是相變、動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶綜合作用的結(jié)果,高溫低應(yīng)變速率有助于增強(qiáng)相與基體間的協(xié)調(diào)變形,且有利于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程的進(jìn)行。(α+β)相區(qū)變形的軟化

6、機(jī)制主要是α相的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,β相含量的提高有助于流變應(yīng)力和熱變形激活能的降低。TiB及TiC對(duì)基體熱變形行為的影響依賴于α和β兩相比例的變化。
　　通過高溫鍛造及后續(xù)多道次軋制工藝,成功制備出高質(zhì)量的TiB/Ti及(TiB+TiC)/Ti復(fù)合材料板材,最大尺寸可達(dá)2000mm×300mm×2mm。闡明了增強(qiáng)相含量、熱加工溫度、軋制變形量對(duì)鈦基復(fù)合材料顯微組織的影響規(guī)律,TiB及TiC增強(qiáng)相促進(jìn)了(α+β)相區(qū)變形時(shí)α相的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶

7、;提高軋制變形溫度可明顯減少增強(qiáng)相的折斷比例;(α+β)相區(qū)軋制得到雙態(tài)組織,β相區(qū)軋制得到片層組織;隨軋制變形量的提高,增強(qiáng)相分布均勻性明顯提高,基體組織得到了顯著細(xì)化。
　　多道次軋制的鈦基復(fù)合材料板材具有優(yōu)異的綜合性能。對(duì)于7.5vol.%TiB/Ti復(fù)合材料板材,室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)1342.4MPa,延伸率達(dá)5.73%,600℃時(shí)抗拉強(qiáng)度高達(dá)849.7MPa;對(duì)于β相區(qū)軋制的5vol.%(TiB+TiC)/Ti復(fù)合材料板材,

8、室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)1298.6MPa、延伸率為4.94%;650℃下,抗拉強(qiáng)度仍可達(dá)660.5MPa。到700℃,各加工態(tài)復(fù)合材料強(qiáng)度差別不大。
　　熱變形引起的晶粒細(xì)化、位錯(cuò)增殖,增強(qiáng)相分布均勻性提高,有效地改善了鈦基復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性。細(xì)晶強(qiáng)化效果隨溫度的升高而逐漸減弱,650℃及以上溫度,細(xì)晶強(qiáng)化不再起作用;在界面結(jié)合良好的前提下,增強(qiáng)相的承載能力隨溫度的升高而逐漸提高,在700℃及以上溫度,增強(qiáng)相與基體的脫粘降低了增強(qiáng)相的承

9、載能力。
　　研究了細(xì)晶5vol%(TiB+TiC)/Ti復(fù)合材料板材在900℃-1050℃,5×10-3s-1-10-4s-1條件下的超塑性變形行為及失效機(jī)制。發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料板材在1000℃、10-3s-1變形條件下獲得最佳超塑性延伸率達(dá)328.8%;通過組織觀察及超塑性變形激活能計(jì)算分析,超塑性變形機(jī)制主要是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶共同協(xié)調(diào)的晶界滑動(dòng),高溫低應(yīng)變速率下,增強(qiáng)相與基體協(xié)調(diào)變形能力的提高有利于超塑性變形。對(duì)超塑性變形試