軋制及反應(yīng)退火制備微疊層TiB2-TiAl復(fù)合材料板組織與性能.pdf

1、為滿足超音速飛行器和未來渦輪發(fā)動機(jī)以及殼體熱防護(hù)系統(tǒng)對800～1000℃使用的輕質(zhì)高強(qiáng)合金薄板的迫切需求,TiAl基合金板材的開發(fā)與制備至關(guān)重要。然而由于本質(zhì)脆性,直接軋制脆性的TiAl基合金錠制備板材十分困難,因而本文通過熱軋塑性變形良好的多層Ti-(TiB2/Al)復(fù)合板及后續(xù)的多步熱處理成功制備出微疊層TiB2-TiAl復(fù)合材料板材并采用真空熱壓燒結(jié)致密化處理顯著提高了其致密度。探索并優(yōu)化了TiAl基復(fù)合材料板材的制備工藝,利用掃

2、描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)和透射電鏡(TEM)系統(tǒng)研究了反應(yīng)退火過程中反應(yīng)層的相組成及反應(yīng)動力學(xué)并揭示了其反應(yīng)機(jī)理,探討了TiB2含量對TiAl基復(fù)合材料組織成分與力學(xué)性能的影響,并合理表征和評價了微疊層TiB2-TiAl復(fù)合材料板的組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能。
　　利用熱壓及熱軋制成功制備出界面結(jié)合良好的多層Ti-(TiB2/Al)復(fù)合板。為保證多層Ti-(TiB2/Al)復(fù)合板層厚均勻,軋制變形量不宜超過65％。TiB2/

3、Al復(fù)合材料板取代多層Ti-Al復(fù)合板中的純Al板,顯著改善多層復(fù)合板的變形協(xié)調(diào)性。變形協(xié)調(diào)性的改善有利于設(shè)計和控制最終TiAl基復(fù)合材料的組織成分。
　　多層Ti-(TiB2/Al)復(fù)合板在520～700℃低溫反應(yīng)退火時,TiAl3相為首要產(chǎn)物,TiB2不參與反應(yīng)與擴(kuò)散。TiAl3層形成和生長是反應(yīng)擴(kuò)散過程,且伴隨其有序-無序轉(zhuǎn)變。TiAl3層向TiB2/Al層的生長速率高于向Ti層的生長速率。鋁熔點(660℃)以下反應(yīng)退火時,

4、TiAl3層生長遵循拋物線生長動力學(xué)規(guī)律;鋁熔點及以上反應(yīng)退火時,TiAl3層生長遵循直線生長動力學(xué)模式。基于對低溫退火反應(yīng)動力學(xué)研究,再綜合考慮退火過程中不能發(fā)生Al大量熔化流出及盡量減少TiAl3層中孔洞產(chǎn)生,確定660℃為最佳低溫反應(yīng)退火溫度。
　　低溫反應(yīng)退火過程中存在Kirkendall效應(yīng),Al消耗完全后,TiAl3層中間位置形成疏松多孔的TiB2堆積層,嚴(yán)重降低材料的致密度與力學(xué)性能。1225℃/2h/60MPa條件

5、下的真空熱壓燒結(jié)能顯著提高多層復(fù)合材料板材的致密度,且致密化過程不引入二次裂紋。隨后在950～1200℃高溫反應(yīng)退火時,反應(yīng)擴(kuò)散繼續(xù)進(jìn)行,TiB2亦不參與反應(yīng),最終得到層狀TiB2-TiAl-Ti3Al復(fù)合板。繼續(xù)在1400℃片層化熱處理22min,制備出由少量γ-TiAl連接著大量TiB2顆粒的TiB2-rich層和近全片層組織的γ-TiAl層交替排列的微疊層TiB2-TiAl復(fù)合材料板材。TiB2-rich層存在顯著地限制α2/γ片

6、層組織粗化。且TiB2-rich層中TiB2與γ-TiAl間界面結(jié)合良好、局部區(qū)域存在位向關(guān)系:[1100] TiB2//[112] TiAl和(001)TiB2//(111)TiAl。
　　通過研究TiB2含量對TiAl基復(fù)合材料板材組織成分與性能的影響,發(fā)現(xiàn)微疊層2.6vol.%TiB2-TiAl具有最佳的成分、組織結(jié)構(gòu)、最小的密度和最高的彈性模量,其值達(dá)到172.15GPa。
　　斷裂韌性試驗表明,微疊層TiB2-Ti

7、Al復(fù)合材料板表現(xiàn)出良好的斷裂韌性,隨著 TiB2-rich層增厚,斷裂韌性增加。且斷裂韌性強(qiáng)烈地依賴于加載方向,2.6vol.%TiB2-TiAl復(fù)合材料板平行于法向的斷裂韌性值達(dá)到15.12MPa·m1/2,比平行于橫向的斷裂韌性值提高27.6%。TiB2-rich層對裂紋擴(kuò)展的阻礙和令裂紋發(fā)生的偏轉(zhuǎn)及TiB2-rich層內(nèi)產(chǎn)生的大量微裂紋即微裂紋增韌均使裂紋在擴(kuò)展中消耗能量增加,是平行于法向的斷裂韌性顯著高于平行于橫向的主要原因。

8、
　　隨拉伸測試溫度升高,微疊層TiB2-TiAl復(fù)合材料板強(qiáng)度先增加后減小,延伸率增加,彈性模量減小。750℃時屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值為339.92MPa?？梢?微疊層TiB2-TiAl復(fù)合材料板材是具有一定發(fā)展?jié)摿Φ母邷剌p質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。TiB2的強(qiáng)化作用和TiB2-rich層對α2/γ片層組織的細(xì)化作用是導(dǎo)致其高溫性能提高的主要原因。
　　斷裂研究表明,裂紋首先在TiB2-rich層中萌生,當(dāng)繼續(xù)加載,裂紋穿過TiB2-ric