增強體準連續(xù)網狀分布鈦基復合材料研究.pdf

1、本文以提高鈦基復合材料室溫塑性和高溫強度為目標，設計出一種增強體呈準連續(xù)網狀分布的鈦基復合材料，并利用原位反應自生技術結合粉末冶金的方法，采用機械混粉加熱壓燒結技術，基于大尺寸鈦合金粉與細小TiB2粉成功制備出增強體準連續(xù)網狀分布的TiB晶須增強鈦基復合材料(TiBw/Ti)。網狀分布的增強相有效地提高了增強體的增強效果及基體的韌化效果，因此復合材料表現出優(yōu)異的室溫及高溫綜合力學性能。采用掃描電鏡(SEM)對復合材料中增強體準連續(xù)網狀分

2、布結構特征、增強體形態(tài)與分布、基體組織及裂紋擴展行為進行了研究。采用室溫拉伸、室溫壓縮、超聲共振技術及高溫拉伸方法對不同狀態(tài)復合材料強度、塑性、彈性模量、泊松比及高溫性能進行了測試及評價，分析了增強體網狀分布復合材料的增強機制；并研究了后續(xù)熱擠壓、熱軋制、熱處理等強化手段對其組織與性能的影響。
　　采用相同的原料及燒結工藝、不同的球磨工藝，成功制備出了增強體分別呈均勻分布與準連續(xù)網狀分布的TiBw/Ti復合材料。室溫拉伸性能測試表

3、明，增強體呈準連續(xù)網狀分布較增強體呈均勻分布的燒結態(tài)TiBw/Ti復合材料顯示出了更優(yōu)異的強度及塑性。增強體體積分數為8.5％的TiBw/Ti復合材料抗拉強度較純Ti提高了71%，室溫延伸率保持到11.5%。
　　采用相同工藝制備了系列不同增強體含量的準連續(xù)網狀結構TiBw/TC4(200μm)復合材料，優(yōu)化了網狀結構參數(網的尺寸及網中局部增強相含量)。其中網的尺寸取決于原始基體顆粒尺寸；網中局部增強相含量取決于原始基體顆粒尺寸

4、和復合材料平均增強相含量。室溫拉伸性能及 SEM組織分析表明，由于特殊的網狀結構，存在最佳的增強體含量及基體顆粒尺寸。其中對于直徑為200μm的TC4原始基體顆粒，當復合材料平均增強相含量為5vol.%時，得到最佳的網狀結構和綜合性能。在網狀結構中，除了觀察到大量的棒狀晶須，還發(fā)現了樹枝狀、自焊接、機械鎖、爪子狀等分叉晶須，進一步增加了增強相晶須的增強效果和裂紋阻礙作用。在復合材料冷卻過程中，由于β→α相變的體積收縮受到網狀結構的限制，

5、促進了網內等軸α相的形成，提高了基體塑性。
　　原始顆粒尺寸和復合材料平均增強相含量對復合材料拉伸性能有很大影響。當原始顆粒尺寸一定時，隨平均增強相含量的提高，復合材料的強度提高，塑性下降；當平均增強相含量一定時，隨原始顆粒尺寸的增加，復合材料的強度提高，塑性下降。當原始TC4顆粒尺寸為110μm，復合材料平均增強相含量為8.5vol.%時，燒結態(tài)TiBw/TC4復合材料抗拉強度與延伸率分別達到1288MPa和2.6%；當原始TC

6、4顆粒尺寸為200μm，復合材料平均增強相含量為3.5vol.%時，TiBw/TC4復合材料抗拉強度與延伸率分別達到1035MPa和6.5%。網狀結構的高效承載能力和梯度界面導致高的界面結合強度是復合材料強化的主要原因；網內基體合金塑性的充分發(fā)揮和網中晶須對裂紋的阻礙作用是復合材料塑性提高的主要原因。
　　斷裂研究表明，在復合材料整體斷裂之前，網中部分晶須發(fā)生折斷，并伴隨著微裂紋的產生，裂紋在網中擴展過程中受到晶須阻礙作用，裂紋發(fā)

7、生分叉，提高了斷裂消耗的能量，改善了復合材料的強韌性。
　　由于網狀結構中，局部增強相含量較高，使網狀結構具有較高的高溫承載能力，同時網中晶須的梯度分布使網與基體的界面結合強度提高，形成高溫“晶界強化”效應，導致網狀結構TiBw/TC4復合材料表現出更高的高溫強度。高溫拉伸性能測試表明，以相同的拉伸強度為判據，網狀結構TiBw/TC4復合材料的使用溫度比TC4合金可以提高150-200℃。
　　熱變形和熱處理可以進一步改善復