（材料加工工程专业论文）合金元素添加对ticti6al4v复合材料组织和性能的影响.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： 一l ao is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g 人 ， t h ee f f e c to f a d d i n g e l e m e n t so nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so f t i c t i 6 a 1 4 vc o m p o s i t e s c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： w a n gm i n g j i a p r o f w a n gx i a n g m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g d e c e m b e r ，2 0 0 9 m a r c h ，2 0 l o h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 产 j j 。广 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 已在文中指出，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己经公开发表的作品 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) ：王叫住 日期：, o j o 年王月呷日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 t， 作者( 签字) ：土刊仁导师( 签字) ：王香 日期： 加扫年歹月印日j 口口年3 月9 日 ， 哈尔滨丁稃大学硕十学付论文 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、磨损实验机、万能材料实验机和电化学工作站等分 析测试手段，研究了c 含量变化、添加合金元素b 、z r 和y 对复合材料组织、 磨损性能、压缩性能和电化学腐蚀行为的影响。 研究结果表明，与基体合金t i 6 a 1 4 v 相比，t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料的磨 损性能、压缩性能显著提升，但是复合材料的耐腐蚀性要比基体合金差。 t i c f f i 6 a 1 4 v 复合材料的性能与增强相t i c 的含量和形貌有直接关系。 随着c 含量增多，复合材料中的t i c 量增多，耐磨性能提高。添加微量合金 元素( b 、z r 和y ) 可使t i c 枝晶细化，使得参与摩擦的t i c 颗粒变小，复 合材料的耐磨性变差：适量z r 和y 元素的添加会引起t i c 枝晶粗大，适量 的b 添加会使复合材料中有t i b 生成，它们均会使得参与摩擦的增强相增多， 从而改善复合材料的耐磨性。h a n k s 液润滑能显著改善复合材料的耐磨性。 随着c 含量的增多，t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料能更好的承受载荷，室温压 缩性能上升。加入微量合金元素( b 、z r 和y ) 时，t i c 枝晶的破碎有利于 提高复合材料的压缩性能；当加入适量的z r 、y 元素时，t i c 枝晶变得发达， 易引起应力集中，使复合材料的压缩性能下降，而加入适量的b 元素时，生 成的t i b 促使其压缩性能继续提高。复合材料的断裂表现为典型的脆性断裂。 t i c f r i 6 a 1 4 v 复合材料的耐腐蚀性能随c 量的增多而变差。加入微量合 金元素( b 、z r 和y ) 时，t i c 枝晶的破碎加大了增强体与界面的接触面积， 使复合材料的耐腐蚀性能变差；加入适量z r 、y 元素时，变得粗大的t i c 枝 晶与界面接触面积变小，使复合材料的耐腐蚀性能变好，添加适量b 元素时， 新生成的t i b 又加重了对基体表面钝化膜的破坏，从而使复合材料的耐腐蚀 性能继续变差。 关键词：t i c f r i 6 a 1 4 v 复合材料：合金元素添加；磨损性能；压缩性能；电 化学腐蚀行为 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 a bs t r a c t i nt h i sp a p e r , 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 sh a db e e n f a b r i c a t e du s i n gi n - s i t u m e l t i n g - c a s t i n gp r o c e s s t h ee f f e c to fcc o n t e n ta n d e l e m e n t sa d d i t i o no fb ，z ra n dyo nw e a rp e r f o r m a n c e ，c o m p r e s s i o np e r f o r m a n c e a n de l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o no fc o m p o s i t e sh a db e e ns t u d i e db ys c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，w e a rt e s t i n gm a c h i n e ， u n i v e r s a lm a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n ea n de l e c t r o c h e m i c a lw o r k s t a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt i c t i 6 a 1 4 vc o m p o s i t e sh a db e t t e rw e a l p r o p e r t i e s a n dc o m p r e s s i o np r o p e r t i e st h a nm a t r i x a l l o yt i 6 a 1 4 v t h e ys h o w e dt h a t c o m p o s i t e sh a db e r e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h a nm a t r i xa l l o y h o w e v e r ，t h e c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fc o m p o s i t e sw a sp o o r e rt h a nt h a to ft h em a t r i xa l l o y p r o p e r t i e so ft i c t i 6 a 1 4 vm a t r i xc o m p o s i t e sc o n t a c t e dw i t ht h ec o n t e n ta n d m o r p h o l b g yo fe n h a n c e dp h a s et i c t i ci n c r e a s e da st h ecc o n t e n ti n c r e a s e d ，a n d w e a l r a t ed e c l i n e dg r a d u a l l y s ow e a rr e s i s t a n c eo fc o m p o s i t e si m p r o v e d t i c d e n d r i t ef r a c t u r e da n db e c a m es m a l lw h e nas m a l la m o u n to fa l l o y i n ge l e m e n t s ( b ， z ra n dy ) w e r ea d d e d a n dt h et i cp a r t i c l e si n v o l v i n gi nw e a rw e r ef e w e r ，s o w e a rr e s i s t a n c eo f c o m p o s i t e sd e c l i n e d ；t i cd e n d r i t e sw e r el a e g e r ( a d d i n gz ra n d y ) a n dt i b ( a d d i n gb ) f o r m e dw h e na p p r o p r i a t ee l e m e n t sw e r ea d d e d t h e r e f o r p a r t i c l e si n v o l v i n gi nw e a ri n c r e a s e da n dt h ew e a rr e s i s t a n c eo fc o m p o s i t e s i m p r o v e d h a n k sl i q u i dl u b r i c a t i o n c o u l di m p r o v et h ew e a rr e s i s t a n c eo f c o m p o s i t e ss i g n i f i c a n t l y w i t ht h ei n c r e a s i n go ft i c ，t i c t i 6 a 1 4 vc o m p o s i t e sc o u l db e a rt h el o a d b e a e r ，s oi t sc o m p r e s s i o np e r f o r m a n c ea tr o o mt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d a d d i n ga s m a l la m o u n to fe l e m e n t s ( b ，z ra n dy ) ，w h i c hm a d et i cd e n d r i t ef r a c t u r ea n di t i sv e r yh e l p f u lt oi m p r o v et h ec o m p r e s s i o np r o p e r t i e so fc o m p o s i t e s t i cd e n d r i t e b e c a m ec o a r s ea n dl e dt os t r e s sc o n c e n t r a t i o ne a s i l yw h e na p p r o p r i a t ea m o u n to f i i 哈尔滨丁捍大学硕十学何论文 i i i 葺i i i | i i i i i i i i 萱i i 宣i | i i i i i 葺i i | _ z r ye l e m e n tw e r ea d d e d s oc o m p r e s s i v ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t e sd e c r e a s e d a d d i n gt h ea p p r o p r i a t ea m o u n to fbe l e m e n tw o u l dg e n e r a t et i b ，s oc o m p r e s s i o n p e r f o r m a n c eo fc o m p o s i t e sc o n t i n u e dt oi m p r o v e f r a c t u r et y p eo fc o m p o s i t e s w a st y p i c a lb r i t t l e 丹a c t u r e t i c t i 6 a 1 4 vc o m p o s i t e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft i cc o u l dd e s t r o yt h e p a s s i v a t i o nf i l mo ft h em a t r i xa l l o ys u r f a c e ，s ot h ec o r r o s i o n r e s i s t a n c eo f c o m p o s i t e sd e c l i n e d a d d i n gas m a l la m o u n to fe l e m e n t s ( b ，z ra n dy ) ，w h i c h m a d et i cd e n d r i t ef r a c t u r e ，a n dc o n t a c ta r e ab e t w e e nr e i n f o r c e dp h a s ea n dm a t r i x a l l o yi n c r e a s e d ，s ot h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fc o m p o s i t e sd e c l i n e d w r l l e na d d e d a l la p p r o p r i a t ea m o u n to fz r , ye l e m e n t ，t i cd e n d r i t eb e c a m ec o a r s e a n dc o n t a c t a r e ab e t w e e nr e i n f o r c e dp h a s ea n dm a t r i xa l l o yb e c a m es m a l l e r ，s ot h ec o r r o s i o n r e s i s t a n c eo fc o m p o s i t e si n c r e a s e d a d d i n gt h ea p p r o p r i a t ea m o u n to fbe l e m e n t w o u l dg e n e r a t et i b ，s ot h ep a s s i v a t i o nf i l mo ft h em a t r i xa l l o ys u r f a c ew a s d e s t r o y e db a d l y a c c o r d i n g l yt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fc o m p o s i t e sc o n t i n u e dt o d e c r e a s e k e y w o r d s ：t i c t i 6 a 1 4 v c o m p o s i t e s ；a l l o y i n g e l e m e n t sa d d i t i o n ；w e a l p e r f o r m a n c e ；c o m p r e s s i o np e r f o r m a n c e ； e l e c t r o c h e m i c a l c o r r o s i o nb e h a v i o r i i i ， 一 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 目录 第1 章绪论l 1 1 钛基复合材料发展现状1 1 1 1 连续纤维增强钛基复合材料( f t m c s ) l 1 1 2 颗粒增强钛基复合材料( p t m c s ) 2 1 2p t m c s 的制备方法5 1 3p t m c s 的性能6 1 3 1p t m c s 的磨损性能”6 1 3 2p t m c s 的力学性能“9 1 3 3p t m c s 的耐腐蚀性能ll 1 4 选题意义及研究内容1 l 第2 章实验材料及研究方法“l3 2 1 实验原材料1 3 2 2t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料的制备1 3 2 2 1t i c a l 预制块的制备”1 3 2 2 2 钛基复合材料的制备1 4 2 3 微观组织分析1 4 2 4 磨损性能测试1 4 2 5 压缩性能测试”1 5 2 6 电化学测试1 5 2 7 本章小结”15 第3 章c 含量变化对t i c f r i 6 a 1 4 v 复合材料组织和性能的影响1 6 3 1c 含量变化对t i c 形态的影响1 6 3 2c 含量变化对t i c 厂r i 6 a 1 4 v 复合材料磨损性能的影响1 7 3 2 1 磨损率1 8 3 2 2 干磨损条件下的磨损表面形貌1 8 3 2 3h a n k s 润滑条件下的磨损表面形貌2 0 3 3c 含量变化对t i c 厂r i 6 a 1 4 v 复合材料压缩性能的影响”2 2 3 3 1 复合材料的压缩性能2 2 i v 哈尔滨t 秤大学硕十学何论文 3 3 2 复合材料的断l l 形貌一2 4 3 4c 含量变化对t i c 厂r i 6 a 1 4 v 复合材料电化学行为的影响2 5 3 5 本章小结一2 6 第4 章b 添加对t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料组织和性能的影响”2 7 4 1b 添加对t i c 形态的影响2 7 4 2b 添加对t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料磨损性能的影响2 9 4 2 1 磨损率2 9 4 2 2 干磨损条件下的磨损表面形貌3 0 4 2 3h a n k s 润滑条件下的磨损表面形貌“3 2 4 3b 添加对t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料压缩性能的影响3 3 4 3 1 复合材料的压缩性能”3 3 4 3 2 复合材料的断口形貌”3 5 4 4b 添加对t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料电化学行为的影响”3 6 4 5 本章小结”3 8 第5 章z r 添加对t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料组织和性能的影响4 0 5 1z r 添加对t i c 形态的影响”4 0 5 2z r 添加对t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料磨损性能的影响4 1 5 2 1 磨损率”4 1 5 2 2 干磨损条件下的磨损表面形貌4 2 5 2 3h a n k s 润滑条件下的磨损表面形貌4 3 5 3z r 添加对t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料压缩性能的影响4 4 5 3 1 复合材料的压缩性能”4 4 5 3 2 复合材料的断口形貌”4 6 5 4z r 添加对t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料电化学行为的影响4 7 5 5 本章小结4 8 第6 章y 添加对t i c 厂r i 6 a 1 4 v 复合材料组织和性能的影响”4 9 6 1y 添加对t i c 形态的影响4 9 6 2y 添加对t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料的磨损性能的影响5 l 6 2 1 磨损率”5 1 6 2 2 干磨损条件下的磨损表面形貌”5 2 6 2 3h a n k s 润滑条件下的磨损表面形貌5 4 v 哈尔滨t 稗大学硕十学仲论文 6 3y 添加对t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料压缩性能的影响5 5 6 3 1 复合材料的压缩性能5 5 6 3 2 复合材料的断口形貌5 7 6 4y 添加对t i c t i 6 a 1 4 v 复合材料电化学行为的影响5 8 6 5 本章小结”5 9 结论6 0 参考文献6 2 攻读学位期间的研究成果6 9 致谢7 0 v l 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 钛基复合材料发展现状 随着科学技术的发展，钛及钛合金就其性能而言，如耐磨性差、硬度较 低及制备成本高等弱点，已越来越不能满足发展起来的航空、航天及一些民 用行业等高尖端技术领域所提出的更高的要求。钛基复合材料( t m c s ) 既保 持了钛及钛合金的优良性质，还具有一系列优点：高比强度和高比模量；良 好的导热和导电性能；热膨胀系数小，尺寸稳定性好；良好的高温性能；优 良的耐磨性；良好的疲劳性能和断裂韧性、不吸潮、不老化、气密性好【l 】， 成为应用钛材中的姣姣者，可望成为2 l 世纪广泛应用的材料之一【2 5 】。 钛基复合材料的研制始于2 0 世纪7 0 年代，至8 0 年代，美国国家航空航天 计划及高性能涡轮发动机技术的开发，同时由于其它西方国家相关类似计划， 给钛基复合材料的研究提供了较好的发展机遇及资金支持【6 8 】，从而使钛基复 合材料研究在8 0 年代成为热点。人们习惯把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，两种复合 材料各有其优势。相比而言，颗粒增强钛基复合材料由于具有各向同性、制 备简单、成本较低，能够利用传统的熔铸和粉末冶金等方法制备，技术经济 效益明显，受到了人们的广泛关注。 1 1 1 连续纤维增强钛基复合材* 斗( f t m c s ) f t m c s 的制备分为两个过程：复合和压实。钛的化学性质比较活泼，钛 合金在高温下可以和大多数增强纤维发生化学反应，生成界面反应产物导致 复合材料的综合力学性能下降，故f t m c s 只能用固相法制备【9 a o 。目前 f t m c s 的制备技术主要有：箔纤维箔法( f f f ) 、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 i p ) 和真空热压( v h p ) 两种 【1 1 1 2 1 。 哈尔滨丁稃大学硕十学何论文 f t m c s 具有比钛合金更高的比强度和比刚度，疲劳和蠕变性能也更好 【13 1 ，并可在6 0 0 的环境使用下的高温合金。在美国通过3 个项目对该材料的 研究进行支持：一是国家航空航天计划( n a s p ) ，主要是针对航空航天框架 结构用材；二是1 9 8 8 年起动的集成高性能涡轮发动机技术项目( i h p t e t ) ， 主要是针对双倍汽轮机的推进能力；三是钛基复合材料涡轮发动机联合研制 项目( t m c t e c c ) ，是针对钛基复合材料在大型汽轮机上的应用。这3 个项 目的执行将纤维增强钛基复合材料的研究推向成剿1 4 】。近年来，材料工作者 对其进行了深入的研究，并取得了突破性进剧”】。特别是随着s c s 6 等s i c 纤 维的改进与商品化，为单级直接进入轨道航天飞机提供机翼和机身的蒙皮、 支撑桁梁、加强筋等结构伴1 6 】。近些年来，三极管溅射和磁控溅射技术等新 的制备方法被开发出来，所研究的基体钛合金范围更宽，已经扩展为近a ，a ， a + b 和d 合金。为使一些纤维增强钛基复合材料工程化和产业化，对它们的疲 劳裂纹扩展、断裂和失效方式等方面也进行了深入的研究【1 7 , 1 8 】。 但是由于纤维增强的f t m c s 必须先制成复合丝或复合片，工艺复杂并 且成本高，除少量特殊要求的零件外，目前还尚看不到扩大应用的可能性。 1 1 2 颗粒增强钛基复合材料( p t m c s ) 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( f t m c s ) 相 比，p t m c s 更有优势，如：( 1 ) p t m c s 的制备成本较低，且p t m c s 在显著 降低成本的同时还比基体具有更为优良的性能，为其能广泛应用提供了条件， 这推动了p t m c s 最近几年的飞速发展；( 2 ) p t m c s 的制备工艺较简单，可 采用常规的冶金方法，如普通铸造法、粉末冶金法等，在制备过程控制方面 相对简单：( 3 ) p t m c s 具有优良的各向同性性能，可对材料进行机械加工， 而不会引起材料单向性能的减弱；( 4 ) 界面一直是金属基复合材料研究中无 法回避的问题【1 9 。2 ，而p t m c s 则使增强体和基体几乎无界面反应，性能稳定。 原位自生技术在降低界面反应方面具有更突出的优势，用此方法制备的 复合材料中增强相与基体具有原子结合的界面结构，基本没有反应物或析出 相的存在【2 2 1 。而同常规的增强颗粒外加法相比，原位自生制备技术具备十分 ， 一 突出的优点：( 1 ) 增强相与基体合金材料具有很好的热力学稳定性，在高温 环境中使用时不易破坏；( 2 ) 界面干净，无反应产物，与基体结合牢固；( 3 ) 原位自生的增强体颗粒尺寸更细小，分布更均匀，具有优良的机械性能【2 引。 因此，原位自生增强t m c s 正得到人们越来越多的关注，并有着广泛的应用前 暑【2 4 ，2 5 】 小 o 目前大量的研究工作集中于以下领域：( 1 ) 钛基体合金和增强相( 纤维、 晶须、颗粒等) 的优选；( 2 ) 制造方法和加工工艺；( 3 ) 界面反应以及涂 敷；( 4 ) 性能评估；( 5 ) 探索应用领域。 1 2 2 1 基体的选取 在金属基复合材料中，基体合金起着固结增强相、传递和承受载荷的作 用。而加入增强相颗粒是希望改变基体的如亚结构、位错组态、晶粒尺寸及 材料密度等结构和特性，从而改善和弥补基体性能的某些不足，如提高弹性 模量、基体的强度和耐磨性。基体是颗粒增强金属基复合材料中外加载荷的 主要承担者。复合材料的比强度、比刚度、耐高温、导电、导热等性能更是 与基体密切相关。 钛基复合材料基体成分的合理选择，对于保持增强相与基体间界面的稳 定和复合材料综合机械性能的提升至关重要。基体材料的选择依照使用和加 工性能来决定，综合性能最好的t i 6 a 1 4 v 合金，被广泛地用作研究钛基复合 材料的基体合金【2 6 】；工业纯钛和t i 3 2 m o 等耐蚀合金则作为发展既耐蚀又耐 磨的钛基复合材料的基体合金【2 7 】；而在航空、航天领域中，要求钛合金具有 良好的高温性能和抗蠕变性能，因此常选用近0 t 、仅+ b 型合金、啦型的t i 3 a i 基 合金、y 型的t i 基合金作为基体合金【2 8 】；为了制造实用零件，结合常规加 工工艺的需要，通常使用t i l 0 2 3 ，t i 1 5 3 等成型性好、易加工的合金作为 基体合金【2 9 , 3 0 。 合金元素的加入使基体的选择趋于多元化，通过增强相与不同钛合金匹 配，可以增强基体合金不同方面的性能。其中( q + d ) 型t i 6 a 1 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 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 多钛基复合材料【3 l - 3 4 1 。 1 2 2 2 增强体的选取 颗粒与钛基体有良好的相容性是发展颗粒增强钛基复合材料的关键。增 强体颗粒包括：t i b 、t i c 、t i n 、s i c 、t i b 2 ，以及金属间化合物：t i 3 a l 、t i a l 、 t i 5 s i 3 及氧化物a 1 2 0 3 、z r 2 0 3 、r 2 0 3 【3 2 】。界面反应的宽度可以评价增强相的 热稳定性【3 5 】。资料显示，s i c 在t i 6 a 1 4 v 中进行2 2 5 0 。f 烧结，可生成一种 脆性相【3 6 】，在后续使用过程中易引起失效。目前在c e r m e tt i 系列中，人们 常常使用t i c 、t i b 、t i b 2 作为其增强相【3 6 1 ，表1 1 为几种常用的增强相和基 体钛合金之间的匹配关烈3 7 1 。 表1 1 不同增强相和t i 合金的匹配关系【3 7 】 弹性模量线膨胀系数 溶解量( 甜) 粒子 g p a( l o 乍)基体粒子 t i b5 5 08 6 0 0 0 11 o t i c4 6 07 41 81 5 0 t i n2 5 09 32 2 02 6 0 s i c4 2 0 4 3u n s t a b l eu n s t a b l e t i b 2 5 2 96 4u n s t a b l eu n s t a b l e 目前t i b 、t i b 2 和t i c 是研究较多的几种增强相。t i b 在a t i 和p t i 中 稳定性良好，与基体的热膨胀系数相差很小且在基体和增强相之间不发生反 应，被认为是钛基复合材料最好的增强相【3 8 , 3 9 】。t i c 的密度为4 9 9 9 c m 3 ，比 钛合金( 4 5 玑m 3 ) 略高，弹性模量为4 6 0 g p a ，约是钛合金的4 倍，热膨胀 系数与钛合金的相差5 0 ，且与钛合金具有相近的泊松比【4 0 】，因此近年来选 择t i c 作t m c s 增强相的研究增多。据报道，t i b 最适合作为a 2 t i 3 a l 和近 a 、0 【+ d 钛合金的增强相，而t i b 2 是t i a l 基复合材料的最佳颗粒增强相。s i c 不太适合作钛基复合材料的增强相，因为其加入后在正常烧结温度下有部分 会溶解于基体而变成脆性材料【4 1 1 。 4 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 1 2p t m c s 的制备方法 目前p t m c s 的主要制备方法有：粉末冶金法、挤压铸造法、搅拌混合 法、真空压力浸渍法、叠层复合法、共喷射法、原位反应复合法和无压浸渗 法等f 4 2 舶】。表1 2 是p t m c s 制备方法的比较。 表1 2p t m c s 的制备方法【4 2 a 5 4 7 】 方法优点缺点 粉末冶金基本上不存在界面反应，质量稳工艺程序及设备复杂，制备周期长，成 法定，可以选用细小颗粒增强体，增 本高，降低成本的可能性小 强体分布均匀，产品质量好 搅拌混合工艺简单，设备投资少，生产成本 增强颗粒一般不可能小于1 0 山 n ，易有界 法 低，可大规模生产面反应，有气孔、夹杂、增强体分布较 不均匀现象，只能制成铸锭，需二次加 工 挤压铸造工艺简单，生产周期短，设备投资需先制成预成型体，预成型体对产品质 法 少，有降低成本的可能，界面反应量影响很大。模具造价较高，对设备要 不严重求严格。 真空压力增强颗粒分布均匀，制品质量好工艺设备昂贵，很难制造大型零部件， 浸渍法制备周期较长，如冷却工艺不恰当，可 产生明显的界面反应， 共喷射沉成型速度快，可避免界面反应，工设备昂贵，由于孔隙率高而质量较差， 积法艺周期短，增强体分布均匀仅能制成平板和铸锭，原材料损失大 叠层复合增强体分布均匀，产品质量较好设备昂贵，工效低，难以实用化 法 原位反应成本低，增强体分布均匀，界面干工艺过程要求严格，较难掌握，增强相 复合法净，可使用传统的熔铸造设备，工的成分和体积分数不易控制 艺周期较短 无压浸渗增强体分布均匀，界面反应较弱，工艺周期长，复合体系有限，预成型体 法产品质晕好制作较难 原位反应复合法经过对其反应体系及其机制的研究，可以克服难以控制 增强相的组成及其体积分数的缺点，保持制件性能的稳定性。例如，用原位 哈尔滨t 千早大学硕十学何论文 反应复合法制作的钛基复合材料，由于其优异的力学性能和耐热性能，在航 空、航天和民用工业中有较广泛的应用前景。 1 3p t m c s 的性台皂 从目前的资料报道【4 8 】，利用不同工艺制备的颗粒增强钛基复合材料的室 温拉伸强度一般可达到1 3 0 0 m p a 1 4 0 0 m p a ，弹性模量为1 4 0 g p a 。日本丰田 公司制成以t i c 颗粒增强的钛基复合材料，拉伸强度达到1 9 0 0 m p a ，模量为 1 8 0 g p a ，但是牺牲了室温塑性【4 9 1 。西北有色金属研究院利用p t m p 法制备的 t p 6 5 0 钛基复合材料的拉伸强度达到1 3 0 0 m p a ，室温延伸率达到5 ，表现 出良好的力学性能5 0 1 。颗粒增强钛基复合材料还具有优良的耐磨性，如利用 粉末冶金法制备的1 0 w t t i c 颗粒增强钛基复合材料，其耐磨性能比基体合 金提高3 倍，洛氏硬度( h r c ) 从1 5 提高到5 0 5 2 【5 1 1 。其中日本制备的 t i 5 7 a i 3 5 v 1 l c r 1 3 c 复合材料的耐磨性能可以和典型的耐磨合金 s t e l l i t e n o 6 媲美【5 2 1 。 1 3 1p t m c s 的磨损性能 颗粒增强钛基复合材料( p t m c s ) 具有一系列优点，如制备工艺简单、 成本低、无各向异性等，是一种非常有发展前途的金属基复合材料。其中的 颗粒增强相为高熔点、高硬度的陶瓷颗粒，因此p t m c s 耐磨性能优良。p t m c s 的发展为制备新型耐磨材料提供了新的途径，并已在要求极高耐磨性的部分 领域得到应用，如作为发动机活塞、连杆等。然而有众多因素影响材料的磨 损过程，如载荷、滑动速度、环境温度、运动形式及对磨件类型等，使得材 料的磨损性能缺乏可比性【5 3 1 。特别是对于颗粒增强钛基复合材料，由于其组 织结构的复杂性，更是增加了对其磨损行为研究的难度，甚至得出一些矛盾 的结论【5 4 , 5 5 】，p t m c s 的磨损性能及其磨损机理有待材料工作者们更加深入的 研究。 金云学，刘夙伟等【5 6 】对用熔铸法制备的t i c p t i 6 a 1 4 v 进行了磨粒磨损条 件下的耐磨性试验，并利用s e m 等技术分析了复合材料的磨损过程及磨损机 6 哈尔滨t 稃大学硕十学仲论文 制。研究表明，如图1 1 所示，t i c p t i 6 a 1 4 v 复合材料的抗磨粒磨损性能总体 上随t i c 颗粒体积分数的增加而提高，载荷越大、磨损时间越长，复合材料越 容易表现出优异的耐磨性能。 o 6 o 5 苫o 4 q o 3 o 2 o 1 o t i c 含量 ( a ) 磨损失重随t i c 含量的变化 首 q 首 司 f n ( b ) 磨损失重随载荷的变化 t m m ( c ) 磨损失重随磨损时间的变化 图1 1t i c r , t i 6 a 1 4 v 材料的磨损性能【5 6 1 李邦盛等【5 7 】采用自蔓延高温合成( s h s ) 和熔模精铸方法相结合，制备了 以t i 7 a l 为基体合金，增强相为1 0 w t t i b 晶须增强的钛基复合材料。在载 荷为5 0 n 、滑动速度为0 8 m s 条件下滑动17 0 0 m 时，钛基复合试样及基体合 金试样的磨损质量损失分别为3 3 7 m g 和1 1 5 7 m g 。钛基复合材料试样的磨损 质量损失仅约为基体合金的2 9 ，显示其耐磨性能明显比基体合金优越。通 过分析基体合金试样及钛基复合材料试样磨损表面形貌，可以看出，基体合 7 一 哈尔滨t 秤大学硕十学何论文 金磨损表面沿滑动方向存在明显的犁沟和粘着痕迹，如图1 2 ( a ) ，而钛基复 合材料磨损表面的粘着和犁沟相对较为轻微，如图1 2 ( b ) ，这同二者的磨损 质量损失测定结果相一致。 图1 2 基体合金和钛基复合材料磨损表面形别5 7 】 ( a ) 基体合金表面形貌( b ) 增强体表面形貌 尚俊玲等【5 8 】采用自蔓延高温合成( s h s ) 和感应熔炼相结合的方法制备了 1 0 v 0 1 t i b t i 7 w t a 1 以及1 0 v 0 1 t i b t i 钛基复合材料，将其标为t i c l 和 t i c 2 ，用作对比材料，并且在相同的条件下制备了t i c l 的基体合金 t i 7 w t a 1 。对比载荷5 0 n 和8 0 n 、滑动速度0 8 m s 与滑动距离1 7 0 0 m 时的 t i c l 、t i c 2 及基体合金t i 7 w t a i 的磨损量，如表1 3 所示。可以得出，t i c l 、 t i c 2 和t i 7 w t a 1 的磨损量依次增大，并且随载荷增加，磨损量也依次增加。 在5 0 n 和8 0 n 载荷下，t i c l 的磨损量分别约为基体合金t i 7 w t a 1 的2 9 和3 7 ；受到增强相形貌和基体中无灿元素强化的影响，t i c 2 的磨损较t i c l 严重，其磨损量分别约为基体合金t i 7 w t a i 的5 2 和5 4 ，但都比基体合 金少，说明钛基复合材料比基体合金具有优良的耐磨损性能。 表1 3 钛基复合材料及其基体合金【5 8 】 ( 单位：r a g ) 8 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 1 3 2p t m c s 的力学性能 在钛基复合材料中，增强相的均匀分布，是提升复合材料的性能的关键。 在外加法( 增强相是事先制成，在熔铸过程中加入的，故称为是外加法) 制 备的复合材料中，在熔铸过程中，由于熔体的表面能、增强相和基体的密度 差异等因素，导致增强相在基体中团聚，从而不能在基体中均匀分布，因此 复合材料的性能稳定性差；同样，在粉末冶金法制备复合材料过程中，细小 的增强相颗粒在混合过程中，也容易发生团聚。而使用原位合成工艺制备颗 粒增强钛基复合材料，生成的增强相颗粒细小，在基体中分布得更加均匀， 因此大大提高了材料的力学性能。 马宗义等【5 9 】采用反应热压方法( r h p ) 制备了原位1 2 i t i b 晶须和 2 9 t i c 颗粒复合增强钛复合材料，对复合材料进行了应变速率为7 1 0 。4 s 。1 高温压缩试验。结果表明，原位增强相与钛基体具有良好的界面结合，无中 间相产生，在3 5 0 6 5 0 温度范围内，复合材料的强度均明显高于钛基体， 如图1 3 所示，压缩变形后在钛基体中产生大量的形变孪晶。 图1 3 复合材料压缩屈服强度随试验温度的变化【5 9 1 周伟民等【删研究了体积分数为5 的t i b 增强相的烧结态复