原位自生鈦基復(fù)合材料的熱氫處理研究.pdf

1、鈦基復(fù)合材料具有比鈦合金更高的比強(qiáng)度和比模量，優(yōu)異的高溫性能和蠕變性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。近凈塑性成形具有生產(chǎn)工序少、成本低、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，是鈦基復(fù)合材料理想的成形方式。而高溫變形塑性差、流變應(yīng)力大、設(shè)備要求高、高溫防護(hù)費(fèi)用高等特點(diǎn)使鈦基復(fù)合材料的近凈塑性成形等熱加工變得困難。近些年發(fā)展起來(lái)的熱氫處理技術(shù)，能夠改善鈦合金的高溫塑性，降低熱變形的流變應(yīng)力和成形溫度，從而降低其熱加工成本。
　　 針對(duì)鈦基復(fù)合材料熱加工困難的

2、問(wèn)題，本課題將熱氫處理技術(shù)應(yīng)用于改善顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的熱加工：制備了綜合力學(xué)性能良好的原位自生鈦基復(fù)合材料，研究了其置氫行為及置氫后的微結(jié)構(gòu)和相變，闡明了置氫鈦基復(fù)合材料高溫流變行為和組織演變的規(guī)律，建立了高溫變形的本構(gòu)方程和加工圖，開(kāi)展了超塑性研究并探索了其超塑變形機(jī)制，最后對(duì)大尺寸的鈦基復(fù)合材料進(jìn)行了熱氫處理并研究了其微觀組織和力學(xué)性能。獲得如下主要結(jié)論：
　　 利用Ti與B4C粉末和石墨之間的反應(yīng)，采用熔鑄法成功制備了

3、增強(qiáng)體含量為5 vol.％的原位自生(TiB+TiC)/Ti-6Al-4V復(fù)合材料。鈦基復(fù)合材料棒材的室溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均比Ti-6Al-4V合金提高了10％以上，延伸率為12.6％。
　　 研究了鈦基復(fù)合材料的置氫行為、置氫后的微結(jié)構(gòu)和相變。隨著置氫溫度升高，置氫組織逐漸粗大。在750℃置氫，隨氫含量增加，β1相和δ氫化物相逐漸增多，氫化物的體積效應(yīng)導(dǎo)致α相內(nèi)形成較多位錯(cuò)和氫化物內(nèi)部出現(xiàn)孿晶結(jié)構(gòu)。置氫顯著降低了鈦基復(fù)合材料

4、的α+β/β相變溫度。氫含量超過(guò)0.45wt.％，相變溫度下降約200℃，達(dá)到共析轉(zhuǎn)變溫度。
　　 研究了不同氫含量的鈦基復(fù)合材料在不同變形溫度和應(yīng)變速率下的高溫流變行為和組織演變，闡明了其高溫變形的規(guī)律。置氫鈦基復(fù)合材料的流變應(yīng)力隨變形溫度升高而減小，隨應(yīng)變速率增加而增大。置氫降低了鈦基復(fù)合材料的流變應(yīng)力，隨氫含量增加，流變應(yīng)力先降低后升高。氫對(duì)α相的軟化、對(duì)β相的固溶強(qiáng)化以及氫化物的析出導(dǎo)致流變應(yīng)力出現(xiàn)最小值。在相同應(yīng)力水平

5、下，置氫降低了變形溫度，提高了應(yīng)變速率。在兩相區(qū)變形，α相的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是主要的軟化機(jī)制。置氫加快了α相的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶速度，降低了α相的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度。置氫還改善了增強(qiáng)體和基體的協(xié)調(diào)變形。在高應(yīng)變速率下變形，置氫材料的組織相對(duì)細(xì)小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)也較小。在α+β相區(qū)獲得最多β相的氫含量為鈦基復(fù)合材料的最佳氫含量，此時(shí)流變應(yīng)力最小。
　　 通過(guò)700℃～950℃和0.001s-1～10s-1的等溫壓縮實(shí)驗(yàn)，建立了原始鈦基復(fù)合材料和

6、置氫鈦基復(fù)合材料(0.40wt.％H)的本構(gòu)方程和加工圖。與原始鈦基復(fù)合材料相比，置氫鈦基復(fù)合材料在α+β相區(qū)的變形激活能沒(méi)有變化；變形溫度低與增強(qiáng)體的共同作用導(dǎo)致置氫鈦基復(fù)合材料在β相區(qū)的變形激活能較高。置氫顯著降低了鈦基復(fù)合材料獲得高的功率耗散效率的溫度，減小了其加工圖中的失穩(wěn)區(qū)。在低溫、高應(yīng)變速率下變形，絕熱引起的局部塑性流變和增強(qiáng)體與基體界面開(kāi)裂是失穩(wěn)的主要因?yàn)?；在中溫、中?yīng)變速率下變形，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是獲得高的功率耗散效率的主要因

7、為。
　　 研究了置氫鈦基復(fù)合材料的超塑性能、流變行為和組織演變，探討了其超塑變形機(jī)理。置氫顯著降低了鈦基復(fù)合材料的最佳超塑變形溫度，提高了其最佳應(yīng)變速率。在相同的延伸率下，可降低超塑變形溫度100℃或提高應(yīng)變速率一個(gè)數(shù)量級(jí)。置氫減少和推遲了增強(qiáng)體和基體不協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生的孔洞和裂紋，使鈦基復(fù)合材料的超塑性能得到顯著改善。氫化物和增強(qiáng)體穩(wěn)定了置氫組織，使高氫含量的鈦基復(fù)合材料在中、高應(yīng)變速率下獲得了最好的超塑性能。晶/相界運(yùn)動(dòng)是置氫

8、鈦基復(fù)合材料主要的超塑變形機(jī)制，而位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在超塑變形的過(guò)程起到了協(xié)調(diào)變形的作用。
　　 對(duì)大尺寸的鈦基復(fù)合材料進(jìn)行了熱氫處理并研究了其微觀組織和力學(xué)性能。在1000℃～880℃進(jìn)行鍛造，氫含量為0wt.％和0.15wt.％的材料獲得了等軸α+β組織；氫含量為0.60wt.％的材料獲得了α"馬氏體相和β相的組織。經(jīng)真空退火后，氫含量為0.60wt.％的材料室溫和高溫(400℃)抗拉強(qiáng)度均比氫含量為0wt.％的材料提高l