粉末冶金鈦基復(fù)合材料制備及應(yīng)用基礎(chǔ).pdf

1、鈦合金及鈦基復(fù)合材料由于具有優(yōu)異的室溫、高溫力學(xué)性能，特別是高比強(qiáng)度、高比模量在航空航天上有著廣泛的應(yīng)用。由于原料價(jià)格較高，加工困難等原因，限制了鈦材在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。粉末冶金技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)中小零部件生產(chǎn)短流程化，而所需原料鈦粉的生產(chǎn)工藝不斷革新，生產(chǎn)成本不斷下降，因而有望拓寬鈦材在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。本文以開發(fā)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦連桿和氣門為應(yīng)用目標(biāo)展開研究。采用金屬碳化物、6A1-4V合金粉、YH2粉、鈦粉等為原料粉，通過混料，冷等靜壓，真空燒

2、結(jié)等工藝獲得燒結(jié)坯，采用熱軋、熱鍛和熱擠壓等熱變形手段實(shí)現(xiàn)材料的全致密化和獲得必要的尺寸制得粉末冶金鈦材。對(duì)所制備的材料進(jìn)行了熱變形行為、室溫和高溫力學(xué)性能、抗氧化性能以及耐磨性能等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并對(duì)材料制備過程中的微觀組織演化，拉伸斷口組織，氧化試驗(yàn)后和摩擦磨損試驗(yàn)后樣品表面的微觀組織進(jìn)行了詳細(xì)分析。探討了材料制備過程中的組織演化機(jī)理，材料的強(qiáng)化機(jī)制以及抗氧化性能的影響因素。最終采用優(yōu)化后的鈦材成分和加工工藝，制備出了鈦基復(fù)合材料連

3、桿和氣門，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。通過以上研究得到了如下結(jié)論：
　　 1.金屬碳化物的種類和燒結(jié)后的熱變形對(duì)TiC/Ti基復(fù)合材料中TiC顆粒的分布影響較大，金屬碳化物和6Al-4V合金粉的添加量對(duì)TiC顆粒分布影響很小。金屬碳化物與鈦的反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力大小影響兩相區(qū)擴(kuò)張和TiC顆粒形核與長大對(duì)C元素的獲取能力，從而影響最終TiC顆粒的分布。反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力大，TiC顆粒形核與長大獲取C能力強(qiáng)，因而在較窄的區(qū)域內(nèi)形成大量的TiC顆粒，使得其分布不均

4、；反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力小，兩相區(qū)擴(kuò)張獲取C能力強(qiáng)，因而在較為寬的區(qū)域內(nèi)形成均勻分布的TiC顆粒。熱變形能夠促進(jìn)TiC顆粒的均勻分布。
　　 2.金屬碳化物、6Al-4V合金粉添加量以及金屬碳化物的種類對(duì)TiC/Ti基復(fù)合材料的室溫和高溫力學(xué)性能及不同強(qiáng)化機(jī)制的強(qiáng)化效果有顯著影響。主要強(qiáng)化機(jī)制有：Al，Mo，V等合金元素產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化，TiC顆粒在熱變形過程中促進(jìn)基體晶粒細(xì)化產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化以及TiC顆粒在拉伸變形過程中基于載荷轉(zhuǎn)移機(jī)制產(chǎn)生的

5、顆粒強(qiáng)化。在室溫時(shí)，顆粒強(qiáng)化效果隨不均勻分布的TiC顆粒體積分?jǐn)?shù)增加而減小，隨均勻分布的TiC顆粒體積分?jǐn)?shù)增加而增加；鈦基體強(qiáng)度對(duì)顆粒強(qiáng)化的影響甚小。在高溫時(shí)，增加TiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)以及在TiC顆粒體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)通過增加合金元素來提高鈦基體的強(qiáng)度有利于延緩鈦基復(fù)合材料的強(qiáng)度衰退。
　　 3.基體合金的種類對(duì)基體β-Ti相和TiC顆粒在氧化過程中的演化有重要影響。富Mo的β-Ti相在氧的作用下轉(zhuǎn)變成α-Ti相，并且Mo也固溶于相

6、應(yīng)α-Ti相中，有利于提高材料的抗氧化性能。富V的β-Ti相氧化產(chǎn)物中的V2O5具有很強(qiáng)的揮發(fā)性，使得氧化層產(chǎn)生大量微裂紋加速氧的擴(kuò)散，同時(shí)為TiC顆粒的氧化提供有利條件，降低材料的抗氧化性能。
　　 4.熱加工圖表明燒結(jié)態(tài)Y2O3/Ti基復(fù)合材料具有十分優(yōu)異的熱變形行為，理想的變形區(qū)間為：700-850℃和應(yīng)變速率為0.001-0.01s-1的范圍內(nèi)以及溫度為900-1000℃和應(yīng)變速率為0.001-0.1s-1的范圍內(nèi)。前者

7、的變形機(jī)制為片層球化或α相的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；后者的變形機(jī)制為β相的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。Y2O3強(qiáng)化相顆粒在燒結(jié)后的熱機(jī)處理過程中形成，并且能夠顯著提高材料的強(qiáng)度和塑性。
　　 5.盡管有殘余孔隙的存在，細(xì)小的基體組織使得粉末冶金鈦基復(fù)合材料燒結(jié)坯體具有十分優(yōu)異的熱變形性能，可進(jìn)行進(jìn)一步的熱鍛造、熱軋制和熱擠壓等。采用燒結(jié)，熱擠壓，電鐓粗和模鍛工藝路線制備出了綜合性能優(yōu)異的TiC/Ti基基復(fù)合材料氣門。通過燒結(jié)，預(yù)成型和模鍛工藝路線制備出力學(xué)