热加工对原位自生钛基复合材料组织和力学性能影响的研究

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1、摘要近年来，具有高比强、高比模的钛基复合材料引起人们广泛关注，尤其是原位自生钛基复合材料。颗粒或纤维增强钛基复合材料的力学性能除了与添加粒子的性质、尺寸、体积分数、粒子间距以及粒子与基体间的界面状态等因素有关之外，基体的状态、显微组织也有一定的贡献，可以通过控制加工工艺措施来改变基体组织，从而获得适宜的基体显微组织，提高其性能。但是，随着增强相的加入，无论是纤维增强还是颗粒增强钛基复合材料，其组织变化与控制与基体合金相比变得更加困难。因此，研究原位自生增强体对钛基复合材料热加工工艺的影响及热加工过程中钛基复合材料的组织演变规律并在此基础上优化其性能是高性能钛基复合材料开发的主要研究内容之一。目

2、Ii{『，在原位自生钛基复合材料体系中，选用较多的是原位自生TiC与啊B体系。本研究针对这一问题，首先，利用原位自生方法，制备出了具有不同增强体含量的原位自生TiC或(TiU+TiC)frl．1100复合材料。并运用光学显微镜、x射线衍射仪、透射电镜分析原位自生钛基复合材料的物相组成、微观组织、增强体的形态与分布；然后，用金相法测定了不同增强体含量的复合材料的6转变温度，分析了增强体种类、含量对钛基复合材料B转变温度的影响及作用机制；此外，用等温压缩的方法研究了原位自生(TiB+TiQ或TiC／Ti．1100复合材料的热变形性能；并对原位自生(TiB+TiC)或TiC／Ti．1100复合材料进

3、行了不同的热加工，研究了不同工艺热加工时其组织演变的规律：测试了复合材料铸态、常规锻造以及不同工艺锻造后的室温和高温力学性能，分析了锻造对原位自生钛基复合材料力学性能的影响机制。本文的研究为今后原位自生钛基复合材料热加工工艺参数选择、组织控制和性能优化提供了理论依据和实用途径。主要研究结果如下：在所制备的原位自生(TiB+TiC)或面C／啊．1100复合材料中，增强体TiB、TiC分布均匀，与基体界面洁净，没有明显反应层存在。TiB呈针状，TiC呈颗粒状。原位自生(TiB+TiC)或TiC／Ti．1100复合材料的B转变温度与基体合金相比有了明显的提高，B转变温度的升高主要是由于复合材料制备时

4、c在基体合金中的固溶引起的。C元素的固溶以及增强体的加入造成原位自生(TiB+TiC)或砸c／Ti．1100复合材料热加工性能的改变。与基体合金相比，复合材料适宜的加工温度升高了约100℃，同时扩大了a+B两相区，也即扩大了钛基复合材料在Ⅱ+B两相区热加工的加工窗口，这对钛基复合材料的热加工是有利的。在1000℃到1150℃温度区间内，原位自生(TiB+TiC)或TiaTi．1100复合材料的热变形行为发生明显改变：随着温度的升高，复合材料的变形抗力迅速降低，塑性变形表观激活能急剧减小。其热变形行为的改变是由于基体中a相与B相体积分数的变化以及增强体影响的结果。与基体合金相比，增强体的加入使原

5、位自生(TiB+TiQ或mC／Ti．1100复合材料的塑性变形表观激活能增加。由于增强体对a相与B相变形阻碍作用大小不同，造成了增强体对钛基复合材料塑性变形表观激活能增加的效果在(a+8)区比较明显，而在单一的B相区效果较小。热加工工艺对原位自生(TiB+TiC)或ⅢdTi．1100复合材料的组织有显著影响。在B区热加工后得到魏氏组织，增强体颗粒可以在一定程度上阻碍B晶粒的长大，与基体合金相比钛基复合材料的过热倾向得到一定的改善。增强体颗粒可以阻碍t3相中位错滑移，从而促进13相再结晶时的不均匀形核；在(a+B)区热加工后得到等轴的双态组织，由于变形时初生a相对B相中位错等的阻碍作用，B相再结

6、晶需要的变形量要远小于在单一B相区热加工时的变形量，增强体颗粒对a相中位错的滑移有阻碍作用，造成在a相中有大量的亚结构；在p区开始变形在(o+13)区结束变形的热加工后，当变形量较大时得到等轴的双态组织，当变形量较小时得到不均匀的组织，这种不均匀组织的产生是由于变形过程中a相的析出造成的；在高温d区热加工后得到拉长的d条状组织，当变形量较大时，经再结晶退火后可以得到等轴的a晶粒组织。在a相中有大量的亚结构，亚结构中有类似孪晶的结构。冷却方式对原位自生钛基复合材料中析出的a相的形态和大小有影响。当冷却速度较快时，析出的a片较细小，并且是从B相中均匀析出；当冷却速度较慢时，析出的a片较粗大，并且是

7、优先在相界上沿着初生a相长大。热加工对原位自生啊C或(TiS+TiC)／Ti．1100复合材料室温力学性能及增强体的强化效果有显著影响。复合材料在铸态下室温拉伸时，钛基复合材料基体脆性断裂，增强体的强化效果较差；经热加工后钛基复合材料呈现出部分韧性断裂的特征，增强体的强化效果与铸态下相比较有明显提高。增强体强化效果的提高主要来自：增强体在钛基复合材料热变形过程中造成的基体不均匀变形引起位错增殖强化