（材料物理与化学专业论文）ticti6al4v复合材料中tic的形态演变与控制机理.pdf

哈尔滨t = 程大学硕十学位论文 摘要 本文采用熔铸法制备了自生t i c 颗粒增强t i 6 a 1 4 v 基复合材料，利用扫描 电镜、x 射线衍射仪、能谱仪等分析测试手段，研究了复合材拳毒中e 含量变化 时t i c 的形态变化规律，以及微量元素b 和元素z r 对t i c 形态演变的影响规律 和机制，同时考察了复合材料的硬度。 研究结果表明，t i 卵i 6 硝4 v 复合材料铸态组织中的t i c 形态较复杂，当 c 含量为0 1 5 w t 时，t i c 为颗粒状或细小羽毛状，c 含量高于o 2w t 时，t i c 豹形貌由羽毛状或麦穗状规则排列雨成链条状，当增至共晶点附近时t i c 基本 为短棒状，c 含量进一步增加时开始形成枝晶状t i c ，且随着c 含量的增加， 枝晶状t i c 的数量增多，形态也逐步变的更发达。同时t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料 的硬度随着c 含量的增加逐渐增加。 当砭a t i 6 越4 v 复合材料中的含c 量为2 w t 。时，微量秘的加入可细化t i c 。 当b 的加入量从0 0 1 w t 增加到0 0 4 w t 时，t i c 枝晶逐渐细化，甚至出现链 条状和颗粒状；并且在此含量范围内，t i 明i 6 砧4 v 复合材料的硬度随着b 添 加量的增加呈增加趋势。当b j 【i 入量为0 1 w t 时，开始有纤维状t i b 生成，随 着b 含量的继续增加，t i b 的数量逐渐增多，尺寸变大，丽枝晶状t i c 的形态 和分布没有明显变化。 在含2 w t c 的t i c i 6 砧4 v 复合材料中加入元素z r 时发现，当z r 含量为 1 w t 。o w l 时，初生蘩c 呈枝燕状，并在初生t i c 的周圈有花瓣状、片状或 须状含z r 的t i c 析出，并且在此含量范围内随着z r 添加量的增加，初生t i c 枝 晶变褥细小，花瓣状、片状或须状t i c 增多。当含z f 量继续增加时，初生t i c 所受影响减弱，呈粗大树枝状。在整个添加范围内，复合材料的硬度随含巍 量的增加逐渐增加。 文中还对t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料中t i c 形态随c 、b 或鼢量的不同两变化的 机理进行了较深入的研究，研究结果可为控制钛合金基复合材料中t i c 的形核 与生长，提高t i c 增强钛合金基复合材料的性能和稳定性提供借鉴和参考。 关键词：t i c 疆i 6 越4 v 复合材料；t i c 形态演变；b 添加；z f 添加 哈尔滨- 1 ：程大学硕士学位论文 a b s tr a c t t i cp a r t i c l e sr e i n f o r c e dt i 6 a 1 4 vm a t r i xc o m p o s i t e sw e r ef a b r i c a t e db yu s i n g i n s i t um e l t i n g - c a s t i n gp r o c e s s t h ec h a n g i n go fm o r p h o l o g yo ft i cw i t ht h e v a r i e t yo fcc o n t e n ta n dt h ee f f e c t so ft r a c eb o rz re l e m e n to nm o r p h o l o g yo f t i ci nt i c t i 6 a 1 4 vc o m p o s i t e sw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so fs e m ，x r da n d e d s t h em a c r o h a r d n e s so ft h et i c t i 6 a 1 4 vc o m p o s i t e sw e r em e a s u r e db y u s i n gam a c r o h a r d n e s s t e s t e r t h eo b s e r v a t i o nr e s u l t so f m o r p h o l o g yo f t i ci na s c a s tt i c t i 6 a 1 4 v c o m p o s i t e ss h o wt h a tt h em o r p h o l o g yo ft i ci na s c a s tt i c t i 6 a 1 4 vc o m p o s i t e s v a r i e sw i t ht h ec h a n g i n go fcc o n t e n t w h e nt h ec a r b o nc o n t e n ti s0 1 5 w t 。，t i c i so ff e a t h e r i n e s so rg r a n u l a r w h e nt h ec a r b o nc o n t e n te x c e e d s0 2 w t ，t i ci s m a i n l yo fc h a i n t y p et i cw h i c hc o n s i s t so ff e a t h e r i n e s sa n dw h e a t s h a p et i c 。 a n dt h et i ci sm a i n l yo fs h o r t b a rs h a p et i cw h e ncc o n t e n ti sn e a rt h ee u t e c t i c p o i n t w h e ncc o n t e n ti n c r e a s e sf u r t h e r ，t h ee x i g u o u sd e n d r i t i cs h a p et i ca p p e a r s a n dw i t ht h ei n c r e a s i n go fcc o n t e n t ，t h ed e n d r i t i ct i cb e c o m e sm o r ed e v e l o p e d s i m u l t a n e o u s l y ，t h eh a r d n e s so ft h ec o m p o s i t e si n c r e a s e s w h e ncc o n t e n ti s2 w t 。i nt i c t i 6 a 1 4 vc o m p o s i t e s ，t h ea d d i t i o no ft r a c eb c a l lr e f i n et i cd e n d r i t e t h ea v e r a g eg r a i ns i z eo ft i cd e n d r i t ei sd e c r e a s e d g r a d u a l l yw i t ht h ei n c r e a s i n gc o n t e n to fbf r o m0 0 1 w t t o0 0 4 w t a n de v e n s h o r t - b a rs h a p ea n dp a r t i c l et i ca p p e a r w i t ht h ei n c r e a s i n go fbc o n t e n t ，t h e h a r d n e s so ft h ec o m p o s i t e sa l s oi n c r e a s e s w h e nbc o n t e n ti so 1 w t ，t h e f i b r e s h a p et i ba p p e a r sa n dw i t ht h ei n c r e a s i n go fbc o n t e n t ，t h eq u a n t i t ya n d s i z eo ft i bi n c r e a s e sg r a d u a l l y ，b u tt h em o r p h o l o g ya n dd i s t r i b u t i o no ft h e d e n d r i t i cs h a p et i ch a v en ov a r i e t yo b v i o u s l y 。 t h ei n v e s t i g a t e dr e s u l t so ft h ee f f e c t so fz re l e m e n ta d d i t i o no nm o r p h o l o g yo f t i ci nt i c t i 6 a 1 4 vc o m p o s i t e sc o n t a i n i n g2 w t ci n d i c a t et h a tw h e nz rc o n t e n t i sl w t q i - - 4 w t ，t h e m o r p h o l o g yo ft h ep r i m a r yt i ci s d e n d r i t e a n dt h e p e t a l s h a p e ，p i e c e - s h a p eo rp a l p u s s h a p ee u t e c t i ct i cc o n t a i n i n gz rs e p a r a t e so u t 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 ；盏i i i ；i ；赫赫 a r o u n dt h ep r i m a r yt i c w i t ht h ei n c r e a s i n go fz rc o n t e n t ，t h ep r i m a r yt i c b e c o m e sf i n e ra n dt h ee u t e c t i ct i ci n c r e a s e s w h e nz rc o n t e n tc o n t i n u e st o i n c r e a s e ，t h ee f f e c t so fz re l e m e n to nm o r p h o l o g yo ft h ep r i m a r yt i cw e a k e n s a n dt h ep r i m a r yt i cb e c o m e sc o a r s e w i t ht h ei n c r e a s i n go fz rc o n t e n t ，t h e h a r d n e s s o ft h ec o m p o s i t e si n c r e a s e s 。 t h em e c h a n i s mo fc h a n g i n go fm o r p h o l o g yo ft i cw i t ht h ev a r i e t yo fc ，bo r z rc o n t e n ti nt i c t i 6 a 1 4 vc o m p o s i t e sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h e o b t a i n e dr e s u l t sc o u l db ea v a i l a b l ef o rr e f e r e n c ei nc o n t r o l l i n gn u c l e a t i o na n d g r o w t ho ft i ca n di m p r o v i n gp e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo f t i cr e i n f o r c e dt i t a n i u m a l l o ym a t r i xc o m p o s i t e s k e yw o r d s ：t i c t i 6 a 1 4 vc o m p o s i t e s ；t h ec h a n g i n go ft i cm o r p h o l o g y ；b a d d i t i o n ；z ra d d i t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：盏龇 冒期：力坜年弓胃暑e t 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 钛合金基复合材料研究现状 随着科学技术的发展，钛及钛合金就其性能而言，己越来越不易满足发 展起来的航空、航天、电子及汽车等高尖端技术领域所提出的更高的要求。 近3 0 年来，钛基复合材料f r m c s ) 以其高的比强度、晓霞度和良好的抗高温、 耐腐蚀性能，成为钛材中的姣姣者，可塑成为2 1 世纪广泛应用的材料之一 1 1 - 4 o 囡外对钛基复合材料的研究已有近5 0 年的历史，发展相当迅速，开发出 来的原位合成工艺、纤维涂层等制备技术已经成功用于制备高性能钛基复合 材料i 5 6 j 。国内t m c s 研究起步较晚，虽取得了一定成绩，但与国外相比还有 一定差距。钛基复合材料分为连续纤维增强( f t m c s ) 和颗粒( 晶须) 增强钛基复 合材料( p t m c s ) 两大类。这两种复合材料都要求基体材料具有较好的力学和 加工成形性能t 7 , 8 】。t i 6 a 1 4 v 合金由于综合性能优良，从而作为t m c s 的基体 材料褥至l 了广泛应用1 9 , 1 0 。近年来，各囡科研人员都对钛基复合材料的成型 和制备工艺，组织和性能等方面进行了大量的研究。 羔。l 。王连续纤维增强钛基复合材料( f t m c s ) 连续纤维增强钛基复合材料具有比钛合金更高的比强度和比模量f 1 1 1 ，并 比钛合金更耐热，可在高6 0 0 。c 的环境下使用。连续8 一s i c 纤维增强的骶雒 中，轴向u t s 可达1 8 g p a ，弹性模量是基体的1 3 倍1 8 j 。这些均使其有望用 作未来先进航空航天飞机的蒙皮、刚性件和高性熊发动机部件。若用作发动 机转子、风扇叶片和盘件，以取代n i 基或c o 基超合金，发动机可减重3 0 i 1 2 j 。 近2 0 年来，材料工作者对其进行了深入的研究，并取得了突破性进展【1 3 , 1 4 1 。 特别是随着s c s 6 等s i c 纤维的改进与商品化，纤维增强钛基复合材料的一 些研究成果开始产业化。如美国园防部和n a s p 赘助建立的s i c 纤维增强钛 基复合材料的生产线，为单级直接进入轨道航天飞视提供机翼和机身的蒙皮、 支撑桁梁、加强筋等构件1 1 5 】。近年来又开发了一些新的制备方法，如三极管 溅射和磁控溅射技术，所研究的基体合金范围扩展为近8 ，坟，口+ 和多合金。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 为使一些复合材料工程化，对它们的疲劳裂纹扩展、断裂等方面也进行了深 入的研究1 1 6 ，_ 丌。 f r m c s 的制备过程分为复合和压实两个过程。钛的化学性质溪泼，钛合 金在高温下可以和大多数增强纤维发生化学反应，生成有害的界面反应物导 致复合材料力学性熊下降，故f f m c s 只能用园楣法制备【1 2 , 1 5 】。墨前f f m c s 的 制备技术主要有：箔一纤维一箔法( f e e ) 、等离子喷涂法( m c m ) 和纤维涂层法 ( m c f ) 。常用的固化压实技术有热等静压( h l p ) 和真空热压( v h p ) 两种【1 3 1 4 】。 1 1 2 颗粒增强钛基复合材料( p t m c s l ) 颗粒增强钛基复合材料( p t m c s ) 与纤维增强钛基复合材料( r r m c s ) 6 t 比， p t m c s 具有自身的诸多优势：( 1 ) p t m c s 的生产成本低，并且p t m c s 在显 著降低生产成本的同时还比基体具有更为优异的性能，为其在非航空、航天 领域的广泛应厢提供了条件，这也是p t m c s 近年来迅猛发展的主要动力；( 2 ) p t m c s 的制备方法可采用常规的冶金方法，如普通铸造法、粉末冶金法等，在 生产技术方面相对简单，更容易实现净形或近净形制备的材料加工新观念； ( 3 ) p t m c s 具有较好的各向同性性能，可对材料进行随意的机械加工，如 车、铣、钴、镗等丽不会弓| 起材料单向性能的减弱；( 4 界面一蛊是金属基 复合材料( m m c s ) 研究中无法回避的问题f 1 8 - 2 0 l ，而p 1 m c s 则明照降低了界 面对材料性能的影响，而且原位自生增强技术在控制界砸方面具有更突出的 优势，用此方法制备的复合材料中增强体与基体具有直接原子结合的界面结 构，界面平直，无反应物或析出相的存在1 2 1 j 。而同常规的外加颗粒增强相比， 原位露生制备技术又其有十分突出的优点：( 1 ) 增强体与基体材料具有很好 的热力学稳定性，在高温环境中服役时不易破坏；( 2 ) 界面洁净，结合牢固； ( 3 ) 原位自生的增强体尺寸更加细小，分布均匀，具有优良的机械性能弘z l 。 因此，原位自生增强t m c s 正得到越来越多的关注，并有着广泛的应用前景 f 2 3 ，2 4 lo 1 1 2 1 基体的选取 p t m c s 之所以具有高的比强度、比刚度和耐高温等性能与钛合金所具有 的优异性能密不可分，合理选取基体材料将决定着复合材料的整体性能。金 属钛本身就是一种新金属，从生产至今不过半个世纪的时间，而t m c s 的发展 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 只有3 0 年左右，目前还没有开发出专门阑于制备复合材料的基体合金，许多 研究也都是局限于利用已有的钛合金系列，如a t i ，多t i ，( o f + ) t i ，以及 钛铝金属闻纯合物t i 3 a i ，t i a i 等。在口- t i 为主的合金中，由于弹性模量小， 在成形加工中回弹大，冷加工性能差，而且高温时的热稳定性问题也较突出。 多- t i 在常温下一般为距稳态，在高温下具有高的强度和良好的抗氧化性，同 时b e e 型还具有较好的冷热加工性能。但在高温下卢- t i 型中的原子扩散系 数比较大，这样会使合金的高温蠕变性能下降f 2 5 , 2 6 l 。 合金元素的加入使基体的选择趋于多元化，通过最健增强相与不同钛合 金匹配，可以增强不同方面的性能。其中( 口+ p ) 型t i 6 越4 v 合金因具有优异 的综合性能成为很多研究工作者优先选取的材料，在这一方面也开发了很多 的t m c s 2 再刈。 1 1 。2 2 增强俸的选取 增强体除了要具有优异的刚度、强度、硬度等机械性能外，还要求与基 体具有稳定的物理和化学性能适配性，驿与基体具有相近的热膨胀系数，并 且在制备和高温使用条件下不会与基体发生反应而生成有害界面产物从而导 致材料在服役中出现失效行为1 3 1 】。增强相的选择可以是高硬度难熔的碳化 物、硼化物、氧化物、氮化物，也可以是金属闻化合物，如t i 刘、t i a l 、t i 5 s i 3 等以及氧化物如a 1 2 0 3 、z r 2 0 3 、r e 2 0 ( r e 为稀土元素) 。常见的增强体有s i c 、 t i c 、t i 2 c 、b | c 、t i b 、t i b 2 、z r b 2 、a 1 2 0 3 、t i n 、s i 3 n 4 等。它们的共同特 点是熔点高，比强度、比刚度高，并具有良好的化学稳定性。 麓b 、t i b 2 和t i c 是目前研究较多的几种增强相。聪b 在g 镬和声援 中有着很好的稳定性，与基体的热膨胀系数相差很小且在基体和增强相之间 没有反应产物生成，被认为是钛基复合材料最好的增强相1 3 2 】。近年来选择 t i c 作t m c s 增强相的研究增多，这是因为t i c 的弹性模量为4 4 0 g p a ，约为 钛合金的4 倍，密度为4 9 9 9 c m 3 ，比钛合金( 4 5 9 c m 3 ) 略高，它的热膨胀系 数与钛合金的相差5 0 ，豆与钛合金具有相近的泊松比狰搬。据报道，t i b 2 是 t i a i 基t m c s 的最佳颗粒增强相，t i b 适合作为a2 t i 3 烈和近口、口+ 钛 舍金的增强相。s i c 不适合于c e r m e t i 系列制c s ，因为其加入焉在正常烧 结温度下部分溶解于基体而变成玻璃一样的脆性材料1 3 引。 稀土元素作为制备t m c s 的添加元素褥到越来越多的关注。这是因为禄 3 哈尔滨下程大学硕七学位论文 土元索特别是其中的钕元素与氧、锡等了亡素的亲和力比较强，在熔炼过程中 生成以钕为主的复杂结构的钕、锡和氧的化合物颗粒( 称之为钕氧化物颗粒) ， 这种颗粒在高温条件下其有良好的稳定性，通过合理的热处理后使强度、塑 性、热稳定性和高温力学性能之间达到最佳配合从而极大地改善复合材料的 性熊1 3 6 期。陈藤芳等p 8 l 研究认为，由于钕元素与氧的结合力较强，会夺取绝 大多数原先与t i 、a i 、m o 、f e 等元素粉末结合的氧形成n d 2 0 3 弥散质点， 使粉末表面褥到净化，改善钛会金的烧结活性，嚣且加入稀土元素钕后改善 了材料诸多性能，尤其是对摩擦磨损性能有非常大的改善。并且有研究发现 在基体中形成的这些富钕的氧化物颗粒还可以降低孔隙率，提高材料的致密 度i 3 9 l 。可见，稀土元素作为制备原位自生钛基复合材料的添加元素，具有诸 多优点，有很大的研究潜力。 1 2p t m c s 的制备技术 p t m c s 主要的制备技术有：粉末冶金法( p m ) 、机械合金化( m a ) 、熔铸 法、融蔓延高温合成工艺( s h s ) 和放热扩散法a 喇) 。原位合成工艺可以有 效地避免基体和增强颗粒间的界面反应，制备的复合材料界面结合良好，是 双瓢c s 制备技术的主要发展方向。 1 2 1 粉末冶金法 粉末冶金法是一种较成熟的颗粒增强复合材料的制备方法。先将基体合 金粉末与增强体颗粒混合均匀，然后经过真空除气，压型，烧结，冷、热等 静压工序制成部件。把原位合成反应引入p m 制备出的弧b 瓜中，由于没有 界面反应，复合材料界面结合良好，表现出较好的高温稳定性i 钢。用该方法 制备的i t i b t i 6 2 4 2 中，细小的t i b 颗粒分布均匀，阻碍了复合材料蠕变时的位 错滑移，使复合材料蠕变性能明显优于基体i 4 。可见粉末冶金法与原位合成 工艺相结合可以制备出性能优良的复合材料，是一种很有发展前景的p t m c s 制备工艺。 1 2 2 机械合金化 该工艺利用基体合金粉末与颗粒增强体混合物在高能球磨机内经反复变 形、破碎、焊合，原子间相互扩散或进行固态反应而形成合金粉末。该方法 4 哈尔滨工挥大学硕士学位论文 可以将粒子细化到纳米级尺度，有效地提高了复合材料的拉伸强度和塑性。 该工艺与原位合成法相结合制备出t i b 厂r i 删4 v 复合材料，复合材料中t i b 颗 粒呈赞状或等轴状，均匀分布子基体。然而由于基体强度较高，当b 含量高 于5 w t 时，复合材料的强度和韧性有所下降1 4 到。 兰。2 。3 熔铸法 熔铸法制备钛基复合材料工艺简单、成本低。近年研制出熔铸原位合成 工艺来制备p t m c s 。该工艺利潮高温下c 、b 或髓c 粉末与钛合金之间发生的 化学反应，直接生成增强颗粒。由于增强颗粒和基体原位反应合成，故界面 清洁，结合强度高，且增强颗粒细小，分布均匀，有利于复合材料性能的提 高。用直接加入t i c 粉末的原位囱生法制备的t i c 颗粒增强p t m c s ，组织均匀， 成分可精确控制，t i c 颗粒细小，且与基体界面干净【4 3 l 。采用该熔铸工艺制 各的髓c 弱2 和t i a 犸4 复合材料，t i c 粒子与基体间形成了良好的冶金结 合，且t i c 粒子分布均匀，复合材料综合性能良好1 4 剞。 1 2 4 自蔓延高温合成法 s h s 锘t j 备t m c s 的原理是将制备复合材料所需的粉末经混合和压制成形 后置予保护性气氛下局部点燃，燃烧放出的热量依次诱发临近层的燃烧反应， 形成自蔓延的燃烧波，发生燃烧合成反应，生成复合产物1 4 引。s h s 具有原位 合成法的各种优点。要使s h s 反应发生需要满足3 个条件：( 圭) 粉末闻的反应崧 须放出足够的热量，以保证反应的持续进行；( 2 ) 反应温度在低熔点相以上， 有利于液相扩散到反应前沿参加反应；( 3 ) 反应过程中散失的热量必须小于反 应产生的热量【绷。s h s 法的缺点主要表现在：由于反应迅速，生成的增强相 大小和形貌难以控制，合成的原始材料是多孔状的块料，需进行致密化处理。 1 2 - 5 放热扩散法 x d t m 属于原位合成法的一种，是美国马丁( m a r t i nm a r i e t t a ) 试验室开发的 颗粒增强金属基复合材料的制备技术。用放热扩散法制备p t m c s 的基本原理 是将形成产物所需的各种粉末混合压坯，加热至发生自动燃烧合成的温度， 借助粉末闻发生的放热反应形成所需的产物l 蠲。该方法工艺简单，增强体分 布均匀，而且增强体和基体间界面干净、结合好等，也是一种具有发展前途 的制备p t m c s 的方法。 5 哈尔滨j c 程大学硕士学位论文 1 2 6p t m c s 的其它制备技术 除了以上几种主要的制备方法外，近年来还开发了一些其它制备技术， 如快速凝西技术【钥、冲击波固结技术阳、熔铸。原位反应喷射沉积法降l 等。 但是这些技术研究起步较晚，还有很多问题有待进一步研究。原位合成的 v r m c s 性能显著提高，如表王1 所示1 5 0 - 5 熨，加快了p t m c s 的工业化进程。 表1 1 颗粒增强钛基复合材料的力学性能【5 m 5 3 l 王。3p t m c s 的微观组织 p t m c s 的微观组织形态随着不同的制备方法、不同的增强相而变，下面 以碳化物和碾化物两种增强相为例，分析钛基复合材料的微观组织。 1 3 1 碳化物颗粒增强复合材料的组织 钛基复合材料中的碳纯物主要是t i c ，另外还存在t i 2 a 1 c 、t i 3 a i c 等，用 粉末冶金法制备的复合材料中，其组织比较细小均匀，t i c 颗粒呈圆团状小颗 粒状，尺寸较小，可控制l 州。用燃烧合成法制备复合材料过程中，由于处于 熔体的时间根短，t i c 晶体来不及生长，因此也星比较细小的颗粒状，个别 呈针状或扳条状【5 引。用熔铸法或者燃烧合成制备的复合材料中，材料的组织 是通过凝固过程形成，t i c 晶体经过生核与长大过程，其形态有梭晶状、羽 毛状、针状或条状、短棒状等，数量较少时有分布在基体合金晶界上的趋势， 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 而数量较多时则较均匀分布 5 6 i 。在激光熔覆法制各的复合材料层中也是大 尺寸的枝晶状t i c s s l 。 用熔铸法制各的钛基复合材料中，t i c 分为初生t i c 和共晶t ic 【5 9 邱l 。 初生t i c 的典型形态为充分发达的非小面树枝晶，如图1 1 ( a ) 。共晶t i c 典型 形态为棒状或颗粒状，如图11 。哈工大的研究者p 4 i 研究了t i 1 5 a i 7 c 合 盒在1 2 0 0 。c 保温3 0 h 可使枝晶状t i c 粒化。金云学等旧1 】的研究结果表明：用 熔铸法制各的钛基复合材料中，当含铝量小于1 2 ( 质量分数1 时，碳化物只 有t i c 。当在1 2 2 5 范围时，即以t i 3 a l 为基体时同时存在t i c 和t i ，a l c ， 而且呈包覆结构，心部为t i c ，周围包覆层为t i r m c ，如图1 2 ( a ) 和图1 2 ( b ) ； 当铝含量达到近十t i a i 组成时，仍存在双相的包覆结构颗粒。当形成单一的 t 1 i a l 基体时，碳化物也成为单一的t i a a i c ，形态为连片状，如图1 2 ( c ) 和 图1 2 ( d ) 。 图1 1 用熔铸法制各的钛基复合材料中t i c 的形态1 5 9 6 0 ( a ) 初生t i cc o ) 共晶t i c 枝晶状t i c 尺寸较大，它不但影响合金性能的提高，而且容易在 后续的变形和使用过程中断裂，因此国内外的许多学者都研究了使其 细化的方法。t s a n g l 6 2 培人研究了采用热锻工艺来改变t i c 的形貌和尺 寸，含有1 0 v 0 1 t i c 的钛基复合材料中枝晶状的t i c 在热锻后破碎成 块状，如图1 3 所示，细化了t i c 增强相。金云学1 3 4 研究了利用热处理 的方式改变t i c 的形貌和尺寸的方法，发现t i l 0 a 1 2 c 合金中t i c 枝晶非 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 2 含铝量对碳化物的组成及形态的影响1 6 l 】 ( a ) t i l 7 a 1 2 c ( b ) t i 2 5 a j 2 c ( c x a ) t i 4 0 a 1 2 c 图1 3 热锻后t i c r r i 复合材料的组织 常发达，但在经过1 2 0 0 和1 3 0 0 。0 的热处理后，其中发达的t i c 枝晶变为 棒状或颗粒状，大大细化，如图1 4 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 4t i l 0 a 1 2 c 合金铸态及热处理态组织 ( a ) 铸态组织( b ) 热处理组织( 1 3 0 0 c ) 1 3 2 硼化物颗粒增强复合材料的组织 钛基复合材料中的硼化物有t i b 2 和t i b 两种。张虎等 6 3 - 6 6 1 用熔铸法制各 t i b - z f l i x a l 基复合材料中的t i b 2 增强相，主要以两种形态存在：一种是细小 的、呈片状或细棒状的t i b ：，其尺寸为1 0 , u m 以下，呈现出沿晶界分布的特点； 另一种是呈块状的t i b 2 ，其尺寸较大，约为1 0 , u m 3 0 1 , m ，分布没有规律性， 但是它们都具有非常突出的棱柱面特征。当含硼量由0 4 a t 增加至1 4 a t 时，t i b 2 微观形貌由片状依次演化为板片状、细棒状直至块状。金云学等 6 7 】 研究结果表明，共晶t j b 2 呈片状或细棒状，初生 l i b 2 呈六面棱柱体，端面有 清晰的生长台阶，其显示晶面分别为( 0 0 0 1 ) 和( 1 0 1 0 ) 。李臻熙等i 醴, 6 9 1 用熔铸法 制各7 t i b ：f f i 4 8 a i 复台材料，其 f i b 2 呈弯曲细长的带状形貌和六方块状形 貌。 大多数研究者 t o - 7 q 用熔铸法制各的钛基复合材料中，t i b 主要以针状或晶 须状存在，个别情况下呈棒状或其它形态，纵横比很大，端面呈六边形或其 它多边形。张杰等1 7 7 。8 0 】用粉末冶金方法制各的钛复合材料中，t i b 晶须为长针 状，经热压变形后 r i b 晶须在基体内沿挤压方向均匀排列，有的 r i b 晶须在热 压缩时转动和折断，通过快速凝固和预先固化热处理可得到等轴状t i b 。用燃 烧合成法制备时可通过热力学计算选择非化学计量比的等轴状t i b 。用p h i p 法制备的钛复合材料中， r i b 呈板状。 哈尔滨工程人学硬士学位论文 图1 5 n 熔铸法制各的钛基复合材料中硼化物的存在方式及典型形态阻1 i 。 图1 5 ( a ) 和图1 5 f o ) n 复合材料中的共晶t i b 和初生 l i b 形态，图1 3 ( c ) 图1 3 ( d ) 为复合材料中细棒状t i b 2 和块状t j b 2 。影响硼化物存在形式的最大因素为含 铝量，其次为含碳量。根据钛基复合材料中碳化物和硼化物增强相的特点， 金云学等h 以为共晶t i c 的增强效果最好。 图i5 熔铸法制各的复合材料中硼化物的形态1 ( a ) t i l 8 a 1 4 b 中的共晶 l i b ( b ) t j l 8 a 1 4 b 中的初生t i b ( c ) t i 4 0 h d 4 b 中的细棒状t i b 2 ( d ) t i d o a l 4 b 中的块状t i b 2 1 4p r i m c s 的力学性能 从已有文献来看，采用颗粒增强的t m c s ，在不同程度上提高了基体的拉 伸性能、压缩性能、疲劳性能、蠕变性能、断裂性能、超塑性及其它性能。 但这些性能与材料的制各工艺、基体的合金成分、增强体的类型、体积分数、 形状、尺寸、粒子间距及粒子与基体间的界面状态等因素之间的关系还不是 很清楚，尤其是蠕变机理的研究还很不够，没有达成统一的认识。 1 4 1 拉伸性能 耿柯等p l j 研究了自生( t i + y 2 0 3 ) t i 复合材料的高温拉伸性能。结果表 哈尔滨r 程大学硕士学位论文 明复合材料的性能比未增强材料的要高得多，抗拉强度和屈服强度分别是网 条件下未增强材料的2 - 3 倍，复合材料的强度随y 2 0 3 体积分数增加而增强， 并受氧原子分数的影响。 c a s t r o 等【8 2 】用熔铸法制备了各种体积分数的融生t i c 颗粒增强“t i 复合 材料，并比较了复合材料、未增强的纯钛翻c e r m et i l 0 c 的拉 睾性麓，认为尽 管材料的性能没有体现出和t i c 体积分数的相关性，但室温下t i c 颗粒的强化 作用还是很明显的。并且含2 1 t i c 的复合材料表现出塑性的显著提高，分 析认为是由于增强体尺寸细小消除了枝晶现象。7 2 3 k 时复合材料的屈服强度 和拉仲强度都比纯钛的高，但除了t i c 体积分数为2 1 的外，其余的最大延 孛率均降低了。 吕维洁等【5 2 j 研究了普通熔铸法原位制备的( t i b + t i c ) t i 6 2 4 2 ( t i b ：t i c = i ：i ) 复合材料酶拉 睾性能。由于t i b 和t i c 的生成，材料的拉馋性麓 和弹性模量提高但塑性降低。由于t i b 晶须对基体变形的抑制作用， t i b ：t i c - - 4 ：i 的材料在低应变下断裂，丽t i b ：t i c = i ：i 的材料表现出了高的拉伸 性能和塑性，并认为由于石墨的加入，同时提高了材料的拉伸性能、弹性模 量和塑性性能。 周伟民l 矧研究了增强体的体积分数为3 、5 和1 0 的三种( t i b + t i c ) t i 复合材料的高温拉伸性能。研究表明3 种不同增强体体积分数的复合材料比基 体材料的强度均有所提高。复合材料的抗拉强度均随拉 枣温度的升高丽降低， 并且在4 0 0 6 0 0 下降很快，而到6 0 0 以上变化不大。拉伸断口表明，随着 温度的升高，材料的断裂方式由脆性断裂转交为韧性断裂，材料的塑性性施 逐渐提高。同增强体体积分数t m c s 的断口韧窝尺寸与断裂温度关系不大， 增强相的加入对小尺寸韧窝的形成有促进作用。随着温度的升高，断口附近 的孔洞较多，并且t i b 从t i 基体中拔出现象严重。增强体体积分数为3 的复 合材料在7 0 0 。c 下分别以5 9 5 x 1 0 4 、1 1 9 x 1 0 。3 和0 8 9 x l f f 2 s 4 三种不同的应变速 率进零亍拉伸变形时都表现出超塑性，延伸率蚕分别为2 0 5 4 3 、1 4 8 3 0 和 1 1 2 8 5 。 王。4 2 压缩性能 马宗义一j 研究了r h p 法制备的体积分数为1 5 的t i b t i 、1 5 的 哈尔滨n t 程大学硕士学位论文 ( ，r i b + t i c 诳i 复合材料在应变速率为7 1 0 q s 时不涮温度+ f 的筮缩性能。发现 在6 2 3k 至l j 9 2 3 幻吝一范围内，复合材料的强度明显高于未增强材料的，而由 t i b 4 c 系制备的( t i b + t i c ) f f i 复合材料的强度高于由t i - t i b 2 系制备的t i b t i 复合材料，并认为这主要是由于增强体尺寸更小的原因。 周伟民豳l 研究了体积分数为5 增强体的烧结念复合零才料、挤压态纯钛和 体积分数为5 、1 0 增强体四种材料在3 0 0 - - - - 7 0 0 范围内的压缩变形行为， 认为在变形温度低于6 时，加工硬化是主要的。6 0 0 7 0 0 c 变形时，真应 力真应变曲线为稳态并且保持较低的应力值。挤压态材料的压缩强度明显高 于烧结态。随着增强体的体积分数增加，挤压态的材料流变应力增加。材料 流变应力随着温度的秀高而下降，在6 之前下降缀快，之后比较平缓。微 观组织分析表明，在较低的变形温度下，材料内部产生很多孔洞。由于t i b 与基体变形的捺调性缀差，t i b 折断严重。随着温度升高，基体的流动性交好， t i b 晶须在基体中容易发生转动，复合材料的塑性性能有所提高。 1 4 。3 蠕变性能 关于d r t m c s 蠕变性能的研究不是很多，自生d r t m c s 蠕变性能的研究 更少，而且这些研究主要是集中在稳态蠕交机制的研究上。现有的研究均表 明复合材料的蠕变抗力比相应的未增强材料高出几个数量级【8 5 瑚】。 r a n g a n a t h 等1 8 9 j 用c a s 法制备了2 5 t i 2 c t i 、1 0 和1 5 的( t i b + t i 2 c ) t i 复合材料，研究了8 2 3 9 2 3 k 范围内t i 2 c t i l l ( t i b + t i 2 c ) t i 复合材料的稳态 压缩蠕变性能，得出在这一温度范围内复合材料的稳态蠕变速率比未增强材 料的低2 , - - 3 个数量级的结论。在8 7 3 9 2 3 k 合金和复合材料都表现出了应力 指数为4 5 的幂律蠕变规律。未增强材料的表观激活能( 2 3 6 k j m 0 1 ) 和金属钛 的晶格自扩散n 匕( 2 4 1 k j m 0 1 ) 是一致的。丽复合材料的表观激活熊比未增强材 料的要高得多，t s a n g 等【9 0 】研究了c a c 法制备的t i b t i 复合材料的增强体体 积分数对其拉伸蠕变性裁的影响。指出复合材料的稳态蠕变速率比未增强材 料的要低1 2 个数量级，而且随着t i b 体积分数的增加进步降低。 肖伯律等【9 1 l 对增强相体积分数为1 5 的t i b “t i 和( t i b w + t i c p 心复合材 料及相应基体在7 9 8 - - 8 4 8 k 范围内的蠕变行为进行了研究。结果表明，两种 复合材料的应力因子分别为4 6 - 4 7 和4 3 4 5 ，激活能为2 9 4 和3 4 3 k j m o l ， 1 2 哈尔滨c 程大学硕士学位论文 比纯钛的晶格扩散激活能高。两种材料的抗蠕变能力均比基体好，丽 ( t i b w + t i c f ) ；r i m 抗蠕变能力l 匕t i b w t i 还要好。 鼹维洁等剐研究t t i b ：t i c 原子比为4 ：l 和l ：l 的自生( t i b + t i c ) 衢材料的 蠕变断裂寿命。认为由于界面结构在蠕变过程中很稳定从而提高了蠕变寿命， 并且复合材料的蠕变寿命比未增强材料的要高得多。由予t i b 晶须和基体的变 形协调性没有等轴或近等轴t i c 颗粒的好，而且在t i b 晶须两端有位错缠结， 因此在加载方向上易在两端形成空洞和扩展，而空洞的合并则导致了材料的 断裂，从而限制了t i b 的强化作用。因此认为t i b 对蠕变寿命的强化作用要弱 于t i c 。 1 4 4 高温氧化特性 原位自生p t m c s 具有高比强度、比模量及良好的高温性能，常被用来制 各在高温下使用的构件，丽高温氧化往往会导致复合材料零件的过旱失效， 因此研究其在高温条件下的性能及状态，揭示出复合材料特有的氧化动力学 规律十分重要。 筏小南等i _ 9 3 】研究了以t i c 颗粒增强t p 6 5 0 钛基复合材料的氧化特性。指 出由于曩c 御的反应爨面层有利于氧原予的扩教，使复合材料在6 5 0 以下的 氧化初期氧化速度较快，因此在这一温度下的抗氧化性不如未增强的钛合金， 但在6 5 0 以下经长时间保温后复合材料的氧化特性和其它耐热钛合金相似。 当温度高于6 5 0 时复合材料的抗氧化能力显著增强，有着其它耐热钛合金不 可比拟的抗氧化性能。分析认为，复合材料在6 5 0 以上具有较好的抗氧化效 果是t i c 增强粒子起了作用。作为陶瓷的t i c 具有高的抗氧化特性，熔点为 3 2 5 0 ，抗氧化能力达1 1 0 0 - - 1 2 0 0 。这样，以t i c 币i i t i 合金组成的复合体不 但具有金属高温塑性，同时具有陶瓷的抗高温氧化性能。 v e l a s c o l 9 4 】研究了原位自生增强t i 8 5 a l l b i s i ( 质量分数，) 复合材料 在7 5 0 - 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