粉末冶金多元增強鈦基復(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)合材料具有高比強度、高比模量、高溫性能好等優(yōu)點而成為研究的熱點。多元增強鈦基復(fù)合材料因為不同種類和不同尺寸的增強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，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多元增強的鈦基復(fù)合材料。通過實驗優(yōu)化了熱壓工藝，制備了不同增強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)、成形機理、力學(xué)性能和失效機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、微觀組織和增強體形貌。結(jié)果表明：增強體在基體中總體分布均勻，但局部偏聚。增強體主要分為四類：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體，條狀和塊狀增強體形狀不規(guī)則、體積較大，往往堆聚或相連。各種增強體與界面結(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)，增強體的生長機制為固態(tài)擴散機制。 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增強體提高了基體合金的室溫和高溫抗拉強度，但材料塑性有所降低。在室溫下，抗拉強度隨增強體含量的增加而增加，塑性下降明顯，強化機理包括增強體的承載、基體晶粒的細化和增強體引起的基體應(yīng)變，失效機制是針尖狀的TiB和體積較大的增強體的斷裂，或者部分條狀增強體的界面脫粘；高溫下增強體含量多的復(fù)合材料的抗拉強度可能比含量少的還低，高溫強化機制是增強體的承載和它對位錯運動和晶界滑移的阻礙，主要失效機制是條狀增強體的界面脫粘。 4.稀土元

5、素以LaB6為介質(zhì)添加后，生成的La2O3為顆粒狀或團狀，包含在由TiB和TiC混合組成的大體積塊狀或條狀增強體中間，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度和塑性都有所降低。要發(fā)揮稀土元素的增強作用，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)