(TiB+TiC)-Ti復合材料高溫變形行為及組織性能研究.pdf

1、原位自生鈦基復合材料具有低密度、高比強度和比模量、優(yōu)異的疲勞和蠕變性能,有望在航空航天、先進武器系統(tǒng)及汽車制造等領域獲得廣泛應用。然而,鈦基復合材料室溫塑性差,高溫變形抗力大,限制了其大規(guī)模的工程化應用。本文采用真空感應熔煉技術制備了不同(TiC+TiB)含量的鈦基復合材料,基體合金成分為Ti-6Al-2.5Sn-4Zr-0.7Mo-0.3Si。研究了增強相含量對鑄態(tài)復合材料顯微組織和力學性能的影響;闡明了(TiB+TiC)/Ti復合材

2、料的熱壓縮變形行為及組織演變規(guī)律;探討了熱加工過程中的組織性能對應關系;開展了鈦基復合材料板材的超塑性研究并揭示了其超塑性變形機理和失效機制。
　　凝固析出的TiB和TiC相易于偏聚于原始β晶界處,TiB相主要呈晶須狀,而TiC則為近等軸狀,二者均與基體界面結合良好。TiB和TiC的引入細化了原始β晶粒和α片層,改變了α相的集束特征,并且使得α片層的取向更加隨機。β晶粒的細化機制為C與B在先析出的β-Ti界面前沿富集引起成分過冷及

3、抑制已析出的β-Ti生長。β晶粒的細化增多了β晶界,α相的形核位置增加,并且生長空間縮小,二者導致α片層發(fā)生細化。
　　TiB和TiC的存在顯著提高了鑄態(tài)(TiB+TiC)/Ti復合材料的室溫及高溫強度。室溫下,相比于基體合金,增強相體積分數(shù)分別為2.5％、5%、7.5%的復合材料的屈服強度分別提高了16.2%、20.2%、28.3%。室溫屈服強度的提高主要是因為基體組織的細化。高溫下,隨測試溫度升高,復合材料相對于基體合金的抗拉

4、強度增幅呈先增加后降低趨勢,在650℃時達到峰值。650℃以下復合材料強度提高主要歸因于組織細化,增強相承載強化以及C的固溶強化,而700℃以上的原因是增強相承載強化和C的固溶強化。
　　采用熱物理模擬方法,研究了5vol.%(TiB+TiC)/Ti復合材料的熱壓縮變形行為,揭示了流變應力與變形溫度和應變速率之間的關系,峰值應力和流變應力均隨溫度的升高和應變速率的減小而降低,且峰值應力σp與(1000/T)、ln??之間都滿足線性

5、關系。該復合材料的熱變形激活能為608.3kJ·mol-1,硬化因子為4.27,建立了該復合材料(α+β)相區(qū)熱變形本構方程,為后續(xù)熱變形參數(shù)的選擇和設備噸位的確定提供了指導。
　　闡明了5vol.%(TiB+TiC)/Ti復合材料熱壓縮過程中的組織演變規(guī)律和軟化機制。該復合材料的變形組織是相變、動態(tài)回復和動態(tài)再結晶綜合作用的結果,高溫低應變速率有助于增強相與基體間的協(xié)調變形,且有利于動態(tài)再結晶過程的進行。(α+β)相區(qū)變形的軟化

6、機制主要是α相的動態(tài)再結晶,β相含量的提高有助于流變應力和熱變形激活能的降低。TiB及TiC對基體熱變形行為的影響依賴于α和β兩相比例的變化。
　　通過高溫鍛造及后續(xù)多道次軋制工藝,成功制備出高質量的TiB/Ti及(TiB+TiC)/Ti復合材料板材,最大尺寸可達2000mm×300mm×2mm。闡明了增強相含量、熱加工溫度、軋制變形量對鈦基復合材料顯微組織的影響規(guī)律,TiB及TiC增強相促進了(α+β)相區(qū)變形時α相的動態(tài)再結晶

7、;提高軋制變形溫度可明顯減少增強相的折斷比例;(α+β)相區(qū)軋制得到雙態(tài)組織,β相區(qū)軋制得到片層組織;隨軋制變形量的提高,增強相分布均勻性明顯提高,基體組織得到了顯著細化。
　　多道次軋制的鈦基復合材料板材具有優(yōu)異的綜合性能。對于7.5vol.%TiB/Ti復合材料板材,室溫抗拉強度可達1342.4MPa,延伸率達5.73%,600℃時抗拉強度高達849.7MPa;對于β相區(qū)軋制的5vol.%(TiB+TiC)/Ti復合材料板材,

8、室溫抗拉強度達1298.6MPa、延伸率為4.94%;650℃下,抗拉強度仍可達660.5MPa。到700℃,各加工態(tài)復合材料強度差別不大。
　　熱變形引起的晶粒細化、位錯增殖,增強相分布均勻性提高,有效地改善了鈦基復合材料的強度和塑性。細晶強化效果隨溫度的升高而逐漸減弱,650℃及以上溫度,細晶強化不再起作用;在界面結合良好的前提下,增強相的承載能力隨溫度的升高而逐漸提高,在700℃及以上溫度,增強相與基體的脫粘降低了增強相的承

9、載能力。
　　研究了細晶5vol%(TiB+TiC)/Ti復合材料板材在900℃-1050℃,5×10-3s-1-10-4s-1條件下的超塑性變形行為及失效機制。發(fā)現(xiàn)該復合材料板材在1000℃、10-3s-1變形條件下獲得最佳超塑性延伸率達328.8%;通過組織觀察及超塑性變形激活能計算分析,超塑性變形機制主要是位錯運動和動態(tài)再結晶共同協(xié)調的晶界滑動,高溫低應變速率下,增強相與基體協(xié)調變形能力的提高有利于超塑性變形。對超塑性變形試