论文部分内容阅读
通过引入增强体并控制其分布,钛基复合材料（Titanium matrix composites,简称TMCs）表现出优异的耐热性,较高的强度与弹性模量。为进一步提高TMCs的室温塑性与韧性,本文设计出具有层状多尺度结构的TMCs。以Ti粉、TA15粉（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）和TiB2颗粒为原料,通过低能球磨、交替叠层铺粉以及反应热压烧结的方式成功制备出系列层状TiB/Ti-TiB/TA15复合材料,并通过热轧制及轧后退火处理进一步对烧结态复合材料的组织进行调控,获得了具有层状多尺度组织结构的TMCs,该材料也表现出优异的室温塑性。采用光学显微镜、扫描电镜以及电子背散射衍射对层状复合材料的原始组织、变形组织和断口进行分析,并用透射电镜对材料进行微区分析。采用室温拉伸以及三点弯曲测试对所制备材料的强度、塑性和韧性进行评价,并结合组织分析与数值模拟,阐明了层状多尺度TMCs的强韧化机制。分别以Ti层和TiB/TA15层、TiB/Ti层和TiB/TA15层作为层状单元制备了Ti-TiB/TA15和TiB/Ti-TiB/TA15两种体系的烧结态层状复合材料,两种材料在宏观上均形成层状结构。在TiB/TA15层内,烧结过程中原位自生的TiB晶须呈网状分布,即烧结态复合材料具有层状-网状结构,其内部的TA15基体为（α+β）网篮组织。Ti-TiB/TA15复合材料中的纯Ti层为长度约200μm、宽度约30μm的粗大柱状α组织。而TiB/Ti-TiB/TA15复合材料中的TiB/Ti层则由于TiB的引入使基体晶粒呈近等轴状,平均晶粒尺寸约30μm。层状复合材料表现出870MPa的层界面拉伸强度,这归因于层界面的冶金结合以及烧结过程中层界面处发生的合金元素扩散。对制备的系列烧结态层状复合材料进行室温拉伸和弯曲测试,结果表明该层状复合材料具有优异的拉伸与弯曲塑性。与TiB/TA15复合材料相比,Ti-TiB/TA15复合材料的延伸率提高了1.7倍,均匀变形能力提升至2.3倍,弯曲断裂功则提升至原来的2.7倍。TiB/Ti-TiB/TA15复合材料的延伸率较TiB/TA15提高1.9倍,强度仅降低了约150MPa。拉伸过程中,TiB/TA15层的网状结构芯部最先发生塑性变形,网状结构通过分割基体变形推迟宏观颈缩,有效地保证了材料的均匀变形能力。TiB/TA15层内TiB晶须断裂导致的脱粘促进微裂纹的产生,并最终造成TiB/TA15层内形成贯穿裂纹。Ti层则通过产生稳态微裂纹的形式协调变形。对弯曲断口及裂纹分析表明,元素扩散、Ti基体层的裂纹钝化、层界面裂纹偏转以及背应力强化效应共同提高了层状复合材料的塑性与韧性。探索了层状复合材料结构参数对其力学行为的影响。选取Ti层和TiB/TA15层厚度比为1:1、1:2以及1:3的复合材料进行研究,发现TiB/TA15层厚越大,材料的强度越高,但塑性下降。制备TiB/Ti层增强体含量0vol.%和0.5vol.%,TiB/TA15层增强体含量3.5vol.%和5vol.%的层状复合材料,测试结果表明Ti层内引入少量增强体可以同时提高材料的强度与塑性。对于叠层方式来说,当样品为两Ti层夹一TiB/TA15层时,材料表现出优异的弯曲塑性;而当叠层为两TiB/TA15层夹一Ti层时,材料脆性断裂。应变速率也会影响材料的力学性能与变形机制,准静态拉伸时,应变速率的提高带来材料屈服与抗拉强度的提升,层状复合材料的应变速率敏感因子满足混合定律。在动态压缩下,材料各层基体既存在滑移,也发生孪晶变形,且相较于准静态下具有更高的压缩强度。对烧结态层状复合材料进行950℃,变形量为50%的小变形量热轧制。热轧制后各层厚度降低,TiB/TA15层的网状结构发生变形。TA15基体在热变形过程中发生动态再结晶。热变形后的组织为拉长的柱状α以及α/β片层组织。热轧制使Ti-TiB/TA15复合材料的拉伸强度提高了近40MPa,延伸率由7.9%提高至8.9%。对于热轧态TiB/Ti-TiB/TA15复合材料,其延伸率突破20%,强度可达980MPa。分析认为,热轧态TiB/Ti-TiB/TA15复合材料基体中的多尺度α晶粒结构共同强化材料并提供了优异的塑性。TA15基体中的柱状α晶粒通过产生小角晶界实现加工硬化,保证了材料的均匀变形能力。TA15基体中的纳米尺度动态再结晶α晶粒则起到细晶强化与取向强化的作用。Ti基体的等轴α晶粒协调了材料内部的非均匀变形。为更可控地在基体中构造多尺度结构,进一步提高轧制变形量至90%。通过热轧态材料的退火,促进晶粒长大,在基体中构造了多尺度基体结构,大幅度提高了复合材料的塑性。随着退火温度的提高（700℃→800℃）,材料塑性首先升高。当退火温度达到900℃时,由于α束集组织的形成,材料塑性下降。对于保温时间来说,延长退火时间会促进组织均匀化,破坏基体多尺度结构,使材料塑性下降。800℃退火10min的热轧态材料具有最高的延伸率,接近20%,抗拉强度接近1000MPa。多尺度晶粒结构表现出优异的背应力强化效应,这与多尺度组织促进几何必须位错产生有关。拉伸变形时基体晶粒以柱面滑移为主,但层界面附近等轴晶粒会通过启动锥面滑移协调层间变形,从而提高材料塑性。