原位自生7715D鈦基復(fù)合材料等軸與層片組織力學(xué)性能研究.pdf

1、近年來,具有高比強(qiáng)、高比模的鈦基復(fù)合材料,尤其是耐高溫的鈦基復(fù)合材料,有望成為最具潛力的新一代航空航天用輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。利用原位自生技術(shù)制備的顆粒或短纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料避免了外加增強(qiáng)體的污染和熔鑄過程中陶瓷顆粒與基體合金潤濕性導(dǎo)致的問題,不僅工藝簡單,生產(chǎn)成本低而且制得的鈦基復(fù)合材料增強(qiáng)體與基體界面規(guī)整結(jié)合良好,從而引起人們廣泛關(guān)注。顆粒或短纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的力學(xué)性能除了與添加粒子的性質(zhì)、尺寸、體積分?jǐn)?shù)、粒子間距以及粒子與基體間

2、的界面狀態(tài)等因素有關(guān)之外,基體的組織狀態(tài)對力學(xué)性能的影響也不容忽視。鈦合金基體蠕變性能、熱穩(wěn)定性以及室溫塑性等性能的最優(yōu)化往往難以兼得,復(fù)合材料中增強(qiáng)體的加入往往會對基體的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的改變,因而希望通過控制復(fù)合材料增強(qiáng)體的種類、含量以及相應(yīng)的熱加工熱處理工藝等因素來從一定程度上緩解鈦合金高溫蠕變與室溫塑性難以兼容的矛盾,實(shí)現(xiàn)較好的綜合性能。關(guān)于對比復(fù)合材料等軸組織與層片組織綜合性能(室溫拉伸、高溫拉伸、高溫蠕變與熱穩(wěn)定性等性能)的

3、研究,目前仍較少。如何通過對基體組織狀態(tài)的控制,使得在基體同增強(qiáng)體協(xié)調(diào)作用過程中,二者的優(yōu)勢互補(bǔ),這是值得深入研究的問題。因而研究熱加工熱處理工藝、增強(qiáng)體種類及含量、力學(xué)環(huán)境等綜合因素對復(fù)合材料等軸與層片組織形貌的影響,以及其對性能的影響是非常有必要的。本文利用鈦合金生產(chǎn)所用的真空電弧爐熔煉技術(shù),通過熱加工原位合成了TiB、TiC和La2O3三種不同含量的7715D鈦基復(fù)合材料(TMCs),即TMC1(0.39vol％TiB+0.11v

4、ol% La2O3)、TMC2(1.42vol%TiB+0.4vol% La2O3)和TMC3(3.09vol%TiB+1.21vol%TiC+0.4vol% La2O3)。分別選擇在β相區(qū)與α+β相區(qū)退火,獲得層片和等軸兩種組織。初步探索了熱加工及熱處理工藝下不同基體組織對復(fù)合材料綜合性能的影響,對比分析了等軸與層片兩種基體組織對增強(qiáng)體增強(qiáng)效果的影響。實(shí)驗(yàn)測試了7715D鈦基復(fù)合材料(TMCs)三種成分,即TMC1、TMC2和TMC3

5、的等軸與層片兩種組織狀態(tài)的室溫力學(xué)性能、不同應(yīng)變速率下的復(fù)合材料高溫拉伸性能,蠕變性能以及熱穩(wěn)定性,同時(shí)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,希望為今后實(shí)現(xiàn)鈦基復(fù)合材料組織和綜合性能的進(jìn)一步的優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)。本文的研究主要包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)通過金相法測得了TMC1、TMC2和TMC3的β轉(zhuǎn)變溫度,經(jīng)1050℃熱鍛,1000℃熱軋后分

6、別進(jìn)行了熱處理制度HT1(980℃固溶1小時(shí)570℃時(shí)效3小時(shí))和熱處理制度HT2(β轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度以上20℃固溶1小時(shí)570℃時(shí)效3小時(shí))兩種處理,觀察了TMC1、TMC2和TMC3的微觀組織形貌。得出經(jīng)HT1處理后,TMCs均獲得等軸組織,經(jīng)HT2處理后,TMCs均獲得層片組織。鈦基復(fù)合材料的短纖維增強(qiáng)體沿加工方向形成了定向排布,增強(qiáng)體分布均勻,TiB大部分呈針狀,TiC則為顆粒狀,而La2O3主要為納米級的細(xì)小顆粒,彌散的分布在基體中

7、,增強(qiáng)體與基體之間沒有明顯界面反應(yīng)。增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)的增加,使得β轉(zhuǎn)變溫度升高,而C元素的添加使其提高尤為顯著。β轉(zhuǎn)變溫度的升高,使得α+β兩相區(qū)擴(kuò)大,使得同一熱加工制度下,β轉(zhuǎn)變溫度高的TMC3組織中α相體積分?jǐn)?shù)顯著增加。并且在同樣的冷卻速率下,TMC3層片組織的α片變寬。
　　(2)研究了TMC1、TMC2和TMC3等軸與層片組織室溫拉伸性能,得出隨著增強(qiáng)體含量的增多,復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均明顯提高。主要來源于TiB短纖

8、維的承載和TiC、La2O3顆粒彌散強(qiáng)化。TiB增強(qiáng)體含量的增加在提高強(qiáng)度的同時(shí)并不一定意味著塑性的降低,這主要取決于TiB晶須熔煉及加工過程中的初始顯微缺陷程度,適當(dāng)?shù)娘@微缺陷對良好塑性的獲得是有利的。C元素的加入引起的β相變點(diǎn)提高,使復(fù)合材料的α相比例提高,進(jìn)而會顯著提高材料的抗拉強(qiáng)度,但卻相應(yīng)導(dǎo)致塑性的嚴(yán)重喪失。與鈦合金粗大層片組織塑性低于等軸組織不同,增強(qiáng)體的加入使得復(fù)合材料的層片組織往往較為細(xì)小,加上層片組織對裂紋有更好阻礙效

9、果使得復(fù)合材料的層片組織保持有良好的塑性。
　　(3)研究了TMC1、TMC2和TMC3等軸與層片組織高溫拉伸以及高溫蠕變性能,得出增強(qiáng)體含量的增加有利于復(fù)合材料高溫拉伸性能的提高。增強(qiáng)體有利于改善等軸組織的蠕變性能,而層片組織的蠕變性能除了與增強(qiáng)體含量有關(guān)外,也受α片寬度的影響,α片寬度小的層片組織有利于獲得良好的蠕變性能。高溫拉伸時(shí),TMCs對10-4/s-10-3/s之間應(yīng)變速率的變化較為敏感,應(yīng)變速率的降低,使得高溫抗拉強(qiáng)

10、度降低,斷裂延伸率提高,而室溫塑性較差的TMC3在10-4/s時(shí)也獲得了極高的斷裂延伸率。溫度上升、應(yīng)變速率降低,使得短纖維的臨界長徑比提高,低于臨界長徑比的TiB短纖維在高溫拉伸時(shí)容易界面脫粘。對于脫粘處的孔洞或裂紋,層片組織比等軸組織更好的阻礙其擴(kuò)展,因而表現(xiàn)出更好的高溫力學(xué)性能。
　　(4)研究TMC2在550℃-650℃熱穩(wěn)定性能發(fā)現(xiàn),在550℃熱暴露120小時(shí)后室溫塑性未損失,在600℃熱暴露后室溫塑性有明顯降低,而65