原位自生7715D基復(fù)合材料高溫蠕變性能研究.pdf

1、近幾十年來，對于高溫高強(qiáng)度和高抗蠕變性的航空航天用材料的研究持續(xù)發(fā)展，以取代或改善現(xiàn)存的材料。其中對于作為航空航天結(jié)構(gòu)材料的鈦基復(fù)合材料的研究發(fā)展迅速。鈦基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比模和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，被視為最具潛力的新一代航空航天用高溫結(jié)構(gòu)材料之一。利用原位自生技術(shù)制備的顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的增強(qiáng)體和基體相容性好，界面清晰、潔凈，結(jié)合強(qiáng)，增強(qiáng)體在基體中分布均勻，增強(qiáng)體和基體在熱力學(xué)上穩(wěn)定，在高溫工作時，性能不易退化，而且成本低廉，工藝簡單

2、，因此逐漸受到人們的關(guān)注。作為高溫結(jié)構(gòu)材料，高溫蠕變性能是其主要考核指標(biāo)之一，而目前這方面的研究工作還比較少。因此研究原位自生鈦基復(fù)合材料的高溫蠕變性能具有重要意義。 本工作主要對三種原位自生鈦基復(fù)合材料TiB/Ti、TiC/Ti和(TiB+TiC)/Ti的高溫蠕變性能進(jìn)行了初步研究與探討。一方面，對于上述三種復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用給予了一定的實(shí)驗(yàn)參考；另一方面，為今后深入研究原位自生鈦基復(fù)合材料的高溫蠕變性能和進(jìn)一步提升原位自生

3、鈦基復(fù)合材料的使用溫度提供了一定的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 本研究中的三種鈦基復(fù)合材料以已在航天領(lǐng)域獲得應(yīng)用的7715D基鈦合金為基體，利用Ti 與B4C、石墨及硼粉的化學(xué)反應(yīng)，通過真空自耗電弧熔煉工藝制備。重點(diǎn)測試分析了這三種鈦基復(fù)合材料的高溫蠕變性能，并且利用X 射線衍射儀、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡等對其物相、微觀組織、增強(qiáng)體TiB 及TiC的微結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了觀察和分析，據(jù)此來探討各種增強(qiáng)體對原位自生鈦基復(fù)合材料高溫蠕變性能的

4、影響機(jī)制。本文的研究主要包括以下幾個方面： (1)為了便于比較分析，使用同樣的制備方法制備了基體合金，并且通過同樣條件的熱處理來消除基體組織對比較分析的影響?；w合金、復(fù)合材料TiB/Ti、TiC/Ti和(TiB+TiC)/Ti 在經(jīng)過統(tǒng)一的熱處理后，復(fù)合材料的基體組織和基體合金的組織基本相同，都為籃網(wǎng)狀組織；復(fù)合材料中的增強(qiáng)體分布均勻，增強(qiáng)體與基體結(jié)合良好，界面清晰；TiC 增強(qiáng)體呈等軸狀或近似等軸狀，TiB 呈晶須狀。

5、 (2)測試了基體和三種復(fù)合材料的高溫蠕變性能。通過對穩(wěn)態(tài)蠕變速率和微結(jié)構(gòu)變化的分析發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)體的加入可以提高復(fù)合材料的變形抗力，顯著改善復(fù)合材料的高溫蠕變性能。三種復(fù)合材料中TiC/Ti具有最佳的高溫蠕變性能，其穩(wěn)態(tài)蠕變速率與基體合金比較有了明顯的改善。 (3)通過計(jì)算分析高溫蠕變結(jié)果和對高溫蠕變后的微結(jié)構(gòu)的觀察，發(fā)現(xiàn)基體材料和復(fù)合材料(TiB+TiC)/Ti為第一類蠕變機(jī)制，其真應(yīng)力指數(shù)為3.5，(TiB+TiC)/Ti

6、主要的增強(qiáng)機(jī)制為門檻應(yīng)力，同時伴隨微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)和微弱的載荷轉(zhuǎn)移；復(fù)合材料TiB/Ti和TiC/Ti 在650oC和700oC 是典型的第二類固溶體蠕變行為，載荷轉(zhuǎn)移和微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)是二者主要的增強(qiáng)機(jī)制。而在600oC時，通過對這兩種復(fù)合材料的表觀應(yīng)力指數(shù)的計(jì)算，推測可能都存在蠕變機(jī)制的轉(zhuǎn)變，復(fù)合材料TiB/Ti具有與第一類固溶蠕變行為相似的應(yīng)力指數(shù)，而TiC/Ti 與晶界滑移控制的蠕變機(jī)制相同的特征。復(fù)合材料在高溫下的失效方式主要是增強(qiáng)體與基