原位自生鈦基復(fù)合材料的鑄造、組織和性能研究.pdf

1、鈦基復(fù)合材料（TMCs）具有高比強(qiáng)度、高比剛度和耐高溫、耐腐蝕等眾多優(yōu)異性能，在航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。精密鑄造是一種高效的液態(tài)近凈成形方法，航空航天眾多復(fù)雜鈦合金構(gòu)件多采用精密鑄造工藝成形。然而對(duì)于鈦基復(fù)合材料的精密鑄造來(lái)說(shuō)，隨著增強(qiáng)體的加入，鈦基復(fù)合材料的流動(dòng)性急劇下降，充型能力變差，同時(shí)由于增強(qiáng)體的存在使復(fù)合材料澆注過程中流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的分布和變化更加復(fù)雜，使鑄造缺陷、鑄件組織和性能更加難以掌控。本文以(TiB+T

2、iC)/Ti-6Al-4V復(fù)合材料為研究對(duì)象，針對(duì)鈦基復(fù)合材料的精密鑄造展開了一系列的基礎(chǔ)研究，系統(tǒng)地研究了 B4C添加量對(duì)鑄造用鈦基復(fù)合材料的組織和性能的影響、增強(qiáng)體的加入對(duì)鈦基復(fù)合材料流動(dòng)性的影響，鈦基復(fù)合材料熔體的流動(dòng)停止機(jī)制，鈦基復(fù)合材料的鑄造性能、鑄造工藝及組織和力學(xué)性能，主要研究結(jié)果如下：
　　1.利用原位自生法制備了(TiB+TiC)/Ti-6Al-4V復(fù)合材料，探索了B4C添加量對(duì)TMCs組織和性能的影響。研究結(jié)果

3、發(fā)現(xiàn)，TMCs通過添加B4C不但生成了TiB晶須和TiC顆粒，還可抑制Ti-6Al-4V粗大魏氏組織的形成。隨著B4C添加量的增加，改變了TMCs凝固結(jié)晶路徑，細(xì)化了TMCs中α相的層片間距，改變了TiB和TiC等增強(qiáng)體的分布、尺寸大小和形貌。TMCs的硬度、抗壓模量Ec和基體的彈性模量Em等力學(xué)性能的變化都是隨B4C的增加先急劇上升，隨后增加緩慢。在B4C添加量低于0.19 wt.%時(shí)，C和B對(duì)基體的組織和結(jié)構(gòu)引起的細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化

4、對(duì)力學(xué)性能的提高起主導(dǎo)作用，具有較高的強(qiáng)化效率，鑄造用鈦基復(fù)合材料 B4C添加量應(yīng)控制在0.19 wt.%到1.63 wt.%之間。
　　2.基于不同成分鈦基復(fù)合材料的流動(dòng)性試驗(yàn)，借助SEM等測(cè)試手段和圖像分析技術(shù)，結(jié)合熔液流動(dòng)停止理論和Flemings方程，分析了鈦基復(fù)合材料流動(dòng)性的影響規(guī)律。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn) TMCs流動(dòng)性并非隨增強(qiáng)體含量增加而單調(diào)減小，由于B4C的添加，改變了TMCs的凝固結(jié)晶路徑，使TMCs的凝固結(jié)晶路徑與寬結(jié)

5、晶溫度范圍的合金類似，這是造成TMCs流動(dòng)性下降的主要原因，而TMCs成分與共晶點(diǎn)遠(yuǎn)近的差異造成了TMCs流動(dòng)性的起伏。
　　3.借助ProCAST有限元模擬軟件，通過對(duì)鈦基復(fù)合材料精密鑄造過程的充型、凝固及冷卻過程的計(jì)算模擬，研究了不同澆鑄模型、澆注溫度、離心力對(duì)鈦基復(fù)合材料鑄造過程中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的影響，預(yù)測(cè)了鑄造缺陷的分布，優(yōu)化了鈦基復(fù)合材料精密鑄造工藝。優(yōu)化后 TMCs精密鑄造工藝為：五澆道底注式澆鑄，冒口設(shè)置于平行離心力

6、方向，澆注溫度為液相線以上50℃，離心轉(zhuǎn)速300（轉(zhuǎn)/分）。利用模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)體澆鑄試驗(yàn)，獲得了外形完整、筒體僅有少量縮松的鈦基復(fù)合材料鑄件。鑄件筒體縮松的分布與模擬結(jié)果相符，經(jīng)熱等靜壓（HIP）處理后縮松得以消除，獲得了合格的航天用TMCs精密鑄件。
　　4.通過對(duì)TMCs精密鑄造組織結(jié)構(gòu)的表征分析，發(fā)現(xiàn)由于B4C的加入，細(xì)化了原始β晶粒，減少了α相間的小角度晶界，使α相取向增多，α晶粒（集束）尺寸減小，α板條趨向等軸化。通過對(duì)

7、TMCs組織轉(zhuǎn)變的計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)α相以β相作為形核質(zhì)點(diǎn)析出時(shí)，臨界晶核只有超過0.243μm才可以析出，而此時(shí)最小長(zhǎng)徑比Rmin為14。然而當(dāng)α相以TiB作為形核質(zhì)點(diǎn)析出時(shí)，形核界面能增加了14%，而彈性應(yīng)變能降到了基體合金的四分之三，起始臨界晶核可以減小到0.1μm，而此時(shí)晶核最小長(zhǎng)徑比Rmin為3。因此TMCs中α相趨向以TiB作為形核質(zhì)點(diǎn)，從而以小尺寸的臨界晶核析出，以小長(zhǎng)徑比類似等軸狀的形貌長(zhǎng)大。
　　5.基于第二相強(qiáng)化

8、、細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化等多種強(qiáng)化機(jī)制模型，結(jié)合鈦基復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)特征，計(jì)算分析了鈦基復(fù)合材料的室溫屈服強(qiáng)度，利用模擬計(jì)算定量解析了TMCs多元強(qiáng)化效果。發(fā)現(xiàn)TMCs室溫的屈服強(qiáng)度的增加主要取決于細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化。通過對(duì)精密鑄造TMCs的斷裂韌性分析，發(fā)現(xiàn) B4C的加入引起 TMCs斷裂韌性的急劇下降。Ti-6Al-4V斷裂時(shí)，其裂紋主要沿著晶界和相界擴(kuò)展，但同時(shí)造成不同位向上?集束的變形和斷裂，增加了裂紋擴(kuò)展的難度，從而使斷裂韌性比較

9、高。TMCs的裂紋擴(kuò)展主要沿著晶界上的增強(qiáng)相擴(kuò)展，因此造成了其相應(yīng)的斷口橫截面出現(xiàn)典型的沿晶斷裂和解離斷裂特點(diǎn)，裂紋擴(kuò)展時(shí)裂紋前沿未發(fā)生明顯的塑性變形，從而使其斷裂韌性較低。
　　6.利用SEM和TEM測(cè)試手段，結(jié)合TMCs斷口形貌分析，提出了TMCs的斷裂機(jī)制。發(fā)現(xiàn)Ti-6Al-4V和TMCs斷裂都是通過微孔匯集造成的，但微孔的形成和長(zhǎng)大方式的不同造成兩者塑性的差異。在Ti-6Al-4V中，微孔大都分布在晶界和相界處，微孔在匯集