粉末冶金鈦基復合材料制備及應用基礎.pdf

1、鈦合金及鈦基復合材料由于具有優(yōu)異的室溫、高溫力學性能，特別是高比強度、高比模量在航空航天上有著廣泛的應用。由于原料價格較高，加工困難等原因，限制了鈦材在民用領域的應用。粉末冶金技術(shù)可以實現(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域的應用。本文以開發(fā)汽車發(fā)動機用鈦連桿和氣門為應用目標展開研究。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。對所制備的材料進行了熱變形行為、室溫和高溫力學性能、抗氧化性能以及耐磨性能等進行了系統(tǒng)研究，并對材料制備過程中的微觀組織演化，拉伸斷口組織，氧化試驗后和摩擦磨損試驗后樣品表面的微觀組織進行了詳細分析。探討了材料制備過程中的組織演化機理，材料的強化機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，制備出了鈦基復合材料連

3、桿和氣門，并進行臺架試驗。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TiC/Ti基復合材料中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TiC顆粒分布影響很小。金屬碳化物與鈦的反應驅(qū)動力大小影響兩相區(qū)擴張和TiC顆粒形核與長大對C元素的獲取能力，從而影響最終TiC顆粒的分布。反應驅(qū)動力大，TiC顆粒形核與長大獲取C能力強，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、；反應驅(qū)動力小，兩相區(qū)擴張獲取C能力強，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TiC/Ti基復合材料的室溫和高溫力學性能及不同強化機制的強化效果有顯著影響。主要強化機制有：Al，Mo，V等合金元素產(chǎn)生的固溶強化，TiC顆粒在熱變形過程中促進基體晶粒細化產(chǎn)生的細晶強化以及TiC顆粒在拉伸變形過程中基于載荷轉(zhuǎn)移機制產(chǎn)生的

5、顆粒強化。在室溫時，顆粒強化效果隨不均勻分布的TiC顆粒體積分數(shù)增加而減小，隨均勻分布的TiC顆粒體積分數(shù)增加而增加；鈦基體強度對顆粒強化的影響甚小。在高溫時，增加TiC顆粒的體積分數(shù)以及在TiC顆粒體積分數(shù)一定時通過增加合金元素來提高鈦基體的強度有利于延緩鈦基復合材料的強度衰退。
　　 3.基體合金的種類對基體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具有很強的揮發(fā)性，使得氧化層產(chǎn)生大量微裂紋加速氧的擴散，同時為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℃和應變速率為0.001-0.01s-1的范圍內(nèi)以及溫度為900-1000℃和應變速率為0.001-0.1s-1的范圍內(nèi)。前者

7、的變形機制為片層球化或α相的動態(tài)再結(jié)晶；后者的變形機制為β相的動態(tài)再結(jié)晶。Y2O3強化相顆粒在燒結(jié)后的熱機處理過程中形成，并且能夠顯著提高材料的強度和塑性。
　　 5.盡管有殘余孔隙的存在，細小的基體組織使得粉末冶金鈦基復合材料燒結(jié)坯體具有十分優(yōu)異的熱變形性能，可進行進一步的熱鍛造、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基基復合材料氣門。通過燒結(jié)，預成型和模鍛工藝路線制備出力學