粉末冶金多元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備、微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能.pdf

1、鈦基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)而成為研究的熱點(diǎn)。多元增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料因?yàn)椴煌N類和不同尺寸的增強(qiáng)體之間的耦合作用而具有更優(yōu)良的綜合性能和結(jié)構(gòu)功能一體化的特征。鈦合金產(chǎn)品的高成本是阻礙其工業(yè)化應(yīng)用的主要原因，而粉末冶金工藝的近凈成形等特點(diǎn)，使它能夠大幅降低產(chǎn)品成本，成為工業(yè)化生產(chǎn)鈦合金產(chǎn)品的有效途徑。 本研究采用粉末冶金熱壓法，通過鈦粉與石墨、B4C和稀土硼化物L(fēng)aB6粉末的化學(xué)反應(yīng)，原位合成了TiB、TiC

2、和稀土氧化物L(fēng)a2O3多元增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料。通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了熱壓工藝，制備了不同增強(qiáng)體含量和不同稀土含量的鈦基復(fù)合材料，對其微觀結(jié)構(gòu)、成形機(jī)理、力學(xué)性能和失效機(jī)制開展研究并得到以下主要結(jié)論： 1.通過設(shè)計不同的工藝參數(shù)，對比分析材料相結(jié)構(gòu)和微觀形貌而得到熱壓法的優(yōu)化工藝參數(shù)為：壓強(qiáng)50MPa，熱壓溫度1200℃，熱壓時間3h，此時原位反應(yīng)完全，材料接近全致密。 2.運(yùn)用光學(xué)顯微鏡、X射線衍射儀和掃描電鏡分析了材料的物

3、相、微觀組織和增強(qiáng)體形貌。結(jié)果表明：增強(qiáng)體在基體中總體分布均勻，但局部偏聚。增強(qiáng)體主要分為四類：等軸狀或近等軸狀的TiC，針尖狀的TiB，以及TiB和TiC混合組成的條狀或塊狀增強(qiáng)體，條狀和塊狀增強(qiáng)體形狀不規(guī)則、體積較大，往往堆聚或相連。各種增強(qiáng)體與界面結(jié)合良好。粉末冶金原位自生鈦基復(fù)合材料的成形過程包括燒結(jié)反應(yīng)和固相反應(yīng)，增強(qiáng)體的生長機(jī)制為固態(tài)擴(kuò)散機(jī)制。 3.粉末冶金鈦合金的力學(xué)性能比鑄造鈦合金的更好，原位合成的TiB和Ti

4、C增強(qiáng)體提高了基體合金的室溫和高溫抗拉強(qiáng)度，但材料塑性有所降低。在室溫下，抗拉強(qiáng)度隨增強(qiáng)體含量的增加而增加，塑性下降明顯，強(qiáng)化機(jī)理包括增強(qiáng)體的承載、基體晶粒的細(xì)化和增強(qiáng)體引起的基體應(yīng)變，失效機(jī)制是針尖狀的TiB和體積較大的增強(qiáng)體的斷裂，或者部分條狀增強(qiáng)體的界面脫粘；高溫下增強(qiáng)體含量多的復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度可能比含量少的還低，高溫強(qiáng)化機(jī)制是增強(qiáng)體的承載和它對位錯運(yùn)動和晶界滑移的阻礙，主要失效機(jī)制是條狀增強(qiáng)體的界面脫粘。 4.稀土元

5、素以LaB6為介質(zhì)添加后，生成的La2O3為顆粒狀或團(tuán)狀，包含在由TiB和TiC混合組成的大體積塊狀或條狀增強(qiáng)體中間，兩者的界面晶格不匹配，結(jié)合不牢。它們在室溫下容易破裂，高溫下容易脫粘，這導(dǎo)致復(fù)合材料的室溫和高溫抗拉強(qiáng)度和塑性都有所降低。要發(fā)揮稀土元素的增強(qiáng)作用，需要改變其添加方式。 本研究中采用粉末冶金工藝制備的鈦基復(fù)合材料的增強(qiáng)體總體分布均勻，與基體結(jié)合良好，力學(xué)性能優(yōu)良，這為工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)高性能、低成本的鈦基復(fù)合材料產(chǎn)