SPS原位制备（TiB+TiC）复相增强Ti6Al4V复合材料组织与性能

SPSSPS原位制备 原位制备 TiB TiCTiB TiC 复相增强 复相增强Ti6Al4VTi6Al4V复合材料组织与复合材料组织与 性能性能 分类号学号Mxx70935学校代码10487密级硕士学位论文SPS原位制备 TiB TiC 复相增强Ti 6Al 4V复合材料组织与性能学位申请人杨松峰学科专业材料工程指导教 师蔡启舟教授答辩日期2019年年5月Dissertation Submittedin FullyFulfillment of the Requirementsfor theDegree forthe Masterof EngineeringMicrostructure andProperties of TiB TiC hybrid reinforcingTi 6Al 4V CompositesIn situ synthesized by SPSCandidate Yang SongfengMajor Materials EngineeringSupervisor Prof Cai QizhouHuazhong Universityof Sciencesample2 Ti TiB2 sample3 Ti B4C Huang等人 42 采用热压烧结的方法制备网状TiB增强Ti60复合材料 获得致密的复合材料所需的最低烧结温度为1300 基体Ti60烧 结后的晶粒尺寸达到几百微米 远超过原始粉末的粒径 复合材料 的晶粒尺寸与原始颗粒粒径相近 而且复合材料中的 相尺寸由基 体合金的300 m降低到10 20 m 发生明显的细化 Wei等人 51 研究了Ti含量和SPS烧结温度对TiB增强钛基复合材料的 组织性能的影响 结果表明烧结温度和Ti含量影响着复合材料的致密度和其力学性能 当烧结温度从950 升高到1250 时 TiB晶须直径由0 18 m快速生 长到1 85 m 同时 随着Ti含量的升高 TiB晶须尺寸也会变大 复合材料的致密度 断裂韧性和弯曲强度如图1 4所示 随烧结温度和Ti含量的升高 复合材料的致密度逐渐增加 断裂韧性和弯曲强度性能变好 在Ti含量为95 1250 烧结时 复合材料完全致密 获得最佳的断 裂韧性13 9MPa m1 2和最佳的弯曲强度1443MPa 9华华中科技大学硕士学位论文图1 4烧结温度和Ti含量对致密度 断裂韧性 弯曲强度的影响Fig 1 4Effects ofsintering temperatureandTicontentondensity fracture toughnessand bendingstrength Tabrizi等人 52 通过SPS制备TiB TiC复合增强Ti 6Al 4V复合材料 研究复合材料和基体合金的弯曲强度 并通过理论计 算SPS和热轧复合材料试样在热变形 Orowan强化和位错强化作用下 的应力增量 对比了SPS后轧制试样强度与理论计算结果 表明实验 结果与计算结果吻合较好 Ni 53 通过反应热压烧结 对添加不同粒径的B4C的复合材料进行研 究 在添加3 5 m的复合材料中有TiB晶须的团簇产生 而当使用0 5 m的B4C时 TiB团簇消失 TiB呈现细小的晶须状 而由于增强相形貌的不同 造成了复合材料力学性能的不同 其室 温力学性能如表1 2所示 细小的B4C颗粒使得复合材料的性能提升 表1 2钛基复合材料室温力学性能Table1 2Mechanical propertiesofpositesat roomtemperature SampleB4C particlesize m Mechanical propertiesUTS MPa Elongation Modulus GPa Vickers hardness13 58170 5514045220 59500 641425811 3钛基复合材料 的热处理目前针对钛基复合材料的热处理工艺主要参考钛合金的热 处理 而钛合金在热10华华中科技大学硕士学位论文处理过程中的 相变较为复杂 有同素异构转变 马氏体相变 相的形成和亚稳 定相的分解 Ti在固体时有面心立方的 Ti和体心立方的 Ti两种同素异构体 在882 时将发生 的同素异构转变 通过 添加合金元素可以改变该转变温度 钛合金在淬火过程中将发生马 氏体转变 如果合金中 稳定元素含量较少 转变的阻力小 Ti可以直接转变为六方马氏体 当 稳定元素含量较高 转变 阻力大大增加 只能转变为斜方马氏体 而当 稳定元素含 量高到一定程度 则会使马氏体相变点M S降低到室温以下 即使淬火也不会发生马氏体相变 相在室温下 存在 称这种 相为 过冷 相 用 r表示 当 稳定合金的成 分在临界浓度C K附近时 淬火过程会形成 r之外 还会形成与 相共格的 相 相硬而脆 能显著提高强度和弹性模量 但是也会使塑性 急剧降低 在淬火后形成的 和 r均为不稳定相 在随后进行的回火时会发生分解 分解产物均为 由于相变过程中的不同产物性能差别较大 因此通过不同热处理可 以获得不同组织 以获得所需的性能 对于 双相钛合金 其常见的热处理工艺如表1 3所示 54 11华华中科技大学硕士学位论文表1 3 钛合金常见热处理工艺 54 Table1 3Common HeatTreatment Processesof Titanium Alloys热处理热处理工艺组织固溶时效固溶温度 相变点到相变点 以下50 水淬 时效450 675 2 8小时初生 马氏体 或时效 析出 混合组织 退火固溶温 相变点以上20 空冷至650 76 0 保温2小时魏氏组织 淬火固溶温度 相变点以上20 水淬 6 50 760 2小时马氏体 再结晶退火925 4小时 炉冷至760 空冷等轴 晶间 相普通退火705 0 5 2小时空冷未完全再结晶 和少量的 相双重退火固溶温度 相变点以下50 75 空冷 时效 540 675 2 8小时初生 魏氏组织目前对于钛基复合材料的热处理 研究主要集中在热处理对增强相形貌的影响 对基体显微组织的影 响和对力学性能的改善 金云学 55 采用熔铸法制备TiC增强钛基复合材料 并通过热处理进 一步改善其组织性能 研究结果表明 熔铸后的TiC呈现枝晶状 经 过不同热处理工艺后 枝晶发生熔断 形成颗粒状的TiC 尹来胜 56 对含10vol TiC Ti复合材料进行不同热处理 当进行不 同温度固溶10h后进行水淬 随固溶温度的升高 基体组织由层片组 织转变为 再转变为细小针状马氏体组织 而TiC逐渐发生 溶解和颗粒化 在固溶后进行空冷 随固溶温度的升高 基体组织 由片层组织向等轴状组织变化 热处理后复合材料的延伸率得到了显著的提升 从1 1 提高到1 88 提高了71 张茂胜 57 制备了 TiB TiC 复合增强钛基复合材料 通过热处理 发现 TiB形12华华中科技大学硕士学位论文貌没有变化 具有很好 的高温稳定性 而条状的TiC则随着热处理温度的升高发生熔断 逐 渐颗粒化 而原始为颗粒的TiC则发生了溶解 但是在TiB周围的TiC 由于受到TiB的制约作用 其形貌变化较小 Gorsse等人 58 研究发现 在1100 1400 进行热处理时 TiB Ti 6Al 4V复合材料的基体组织得到明显细化 而TiB的形态尺寸几乎不受热 处理的影响 曾泉浦 59 对TiC Ti 4Al 0 4Mo 0 3Si 2Sn 3 5Zr复合材料在1050 下进行热处理 结果发现颗粒TiC的形貌没 有发生变化 他们认为TiC也具有较高的高温稳定性 Wang等人 60 研究了经过热轧后的TiB W Ti 6Al 4V复合材料的热处理 结果表明 增强相形貌受热处理的影响很小 而基体组织随热处理温度的不同发生了较大的变化 图1 5为经过热处理后的SEM图 热处理后的试样中 转变组织含量增加 随着固溶温度的升高 基体中初始 相减少 细小的 转变组 织含量增加 从图1 5e的插图中可以看出 时效后的 均匀的分布在原始 相内 随 着时效温度的升高 组织含量变多 但当时效温度超过600 后 细小的 组织发生粗化 图1 6为热处理的性能 随固溶温度的升高 硬度逐渐增加 这是由于固 溶温度升高 转变 组织含量增加 淬火后马氏体 含量也增加 导致在时效过程中的细小 组含量增加 硬度提升 而硬度随 时效温度的升高而逐渐降低 主要是由于时效温度升高 细小的 组织粗化 固溶温度升高 强度升高 延伸率降低是由于在较低 温度固溶时仍有较多的片状 相 而随着固溶温度的升高 初生 相逐渐减少 转变 组织含量升高 造成强度的升高和塑性的降 低 而强度随时效温度的升高而降低的现象是由于 相的粗化引 起 13华华中科技大学硕士学位论文图1 5不同热处理后SEM图Fig 1 5SEM ofspecimens afterdifferent heattreatment a as extruded alongthe crosssection b c d quenchedfrom930 960 990 followed byagingat5001C for6h e f g h i quenchedfrom990 and agedat500 550 600 650 700 for6h14华华中科技大 学硕士学位论文图1 6不同热处理后的性能Fig 1 6Properties afterdifferent heattreatments a hardness aftersolution b hardness afteraging c tensile property1 4钛基复合材料磨损性能人类对于摩擦学这一概念的正 式定义是在1966年的一篇报道中提出的 61 但人们对于摩擦学的认识从公元前2400年就开始了 滴水穿石 路 上的石头被磨平 铁犁用久之后会变小等这些生活中例子都引起了 人们的注意 并开始对它们进行研究 达 芬奇在摩擦学的研究进程中扮演者重要角色 他首先认识到摩 擦力与接触面积无关 而只随受到的载荷变化 62 在随后的时间里 物理学家开始对摩擦学进行大量实验研究 并取 得了一些成果 在摩擦过程中 相接触的物体之间发生相对运动 这势必会造成材 料的消耗 两物体都有不同程度的质量损失 这即为磨损 在现代工业中 磨损是许多工程构件常见的失效形式之一 据不完 全统计 磨损造成了大约1 3的能源材料损失 我国每年15华华中科 技大学硕士学位论文有1000多亿人民币的经济损失是由磨损造成的 正因为磨损造成的设备报废和经济损失如此之高 人们逐渐意识到 对磨损性能和机制研究的重要性 并加快了磨损科学研究的进程 63 Archard 64 发现 当两个金属在没有润滑的条件下发生轻微磨损时 磨损体积 V 正比于接触面所承受的正载荷 P 和滑动距离 S 而与试样的硬度 H 成反比 并总结了式1 1的经验公式V kF SH 1 1 在他的试验中发现 当磨损进行到后期 体积磨损率与磨损的滑 动距离的比值趋近于常数 且与磨损面承受载荷成正比 经验公式中的比例常数k为尺度磨损系数 用来衡量磨损过程的严重 程度 Burwell 65 对磨损进行了系统的分类 将磨损物理过程分为磨料磨 损 粘着磨损 疲劳磨损 冲蚀磨损 腐蚀磨损和微动磨损 为磨 损科学的研究奠定了基础 钛合金由于硬度偏低 化学性质活泼导致其耐磨性较差 在一些工 况条件下不适用 因此通过制备钛基复合材料提高其耐磨性有显著 的经济效益 由于钛合金基体容易氧化 在受到载荷磨损时 磨损表面易于形成T iO2氧化膜 而这层氧化膜与基体之间的结合能力很差 受到载荷容 易脱落 从而加剧磨损 在钛基复合材料中 磨损时基体首先氧化 随着磨损的进行 这层 氧化层剥落 而使得增强相颗粒暴露出来 此时磨损载荷将有一部 分加在硬质的增强相颗粒上 通过原位合成的颗粒与基体结合紧密 不易脱落 因此有效地承受一部分载荷 保护基体 提高复合材 料的耐磨性能 李邦盛等人 66 采用自蔓延 熔模精铸的方法制备TiB Ti复合材料 并研究了其磨损性能 结果表明 在同样的磨损条件 下 复合材料的磨损失重由基体合金的115 7mg降低到33 7mg 磨损 性能显著提升 Cai等人 67 采用热等静压法制备TiB Ti 6Al 4V复合材料 进行磨损实验 并分析其磨痕和磨屑 发现随着TiB含 量的升高 复合材料磨损失重和摩擦系数均降低 复合材料的磨损 性能得到显著提升 通过磨屑成分分析发现其中含有O元素 即在磨 损时发生了氧化磨损 16华华中科技大学硕士学位论文孙亮 68 通过熔铸法制备了 TiB T iC 复合增强钛基复合材料 系统研究了增强相含量 增强相形貌 和分布 热处理工艺对磨损性能的影响 并对磨损机制进行了详细 的分析 结果表明 复合材料的磨损性能与增强相含量成正比关系 其中含1 0 增强相 TiB TiC 1 1 的复合材料耐磨性能最好 相较于基体合 金耐磨性提高了49 磨损机制主要为磨粒磨损 粘着磨损和氧化磨 损 而复合材料中氧化磨损和粘着磨损效果减弱 而磨粒磨损效果 增强 Prakash等人 69 通过粉末冶金法 采用同粒径的Ti 6Al 4V和B4C粉末制备复合材料 研究了增强相含量 磨损载荷和磨损滑 动速率对磨损性能的影响 研究发现 随着B4C添加量增加 复合材料的硬度提升 耐磨性能更 好 磨损失重与所加载荷成正比关系 但基体合金载荷的增加造成 的磨损失重增量高于复合材料的增量 基体合金的磨损率随着磨损 速率的增加而逐渐增加 复合材料在较低滑动速率下磨损失重随磨 损速率的增加变化不明显 但当磨损速率达到2 5m s时 复合材料 的磨损失重也发生显著增加 这主要是由于大的磨损速率导致增强 相从基体中剥离 加剧磨损 Choi 70 等人采用不同粒径的B4C 1500 m和150 m 制备钛基复 合材料 研究增强相的尺寸对磨损性能的影响 结果表明 添加150 m的B4C生成的TiB和TiC更加细小 且在基体中分布更均匀 这会 使得增强相更有效的阻止基体中的磨损和裂纹的产生 减少由于磨 损而造成的磨屑的剥离 从而减少磨损失重 基体合金的机械混合层较厚 而复合材料中机械混合层中包含增强 相 基体合金和磨损氧化碎片 由于增强相的承载作用