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热氢处理对(TiB+TiC)/Ti-6Al-4V复合材料微观组织和力学性能的影响

宋杰  
【摘要】:钛基复合材料具有高比强、高比模和耐高温等优点,优异的高温性能和蠕变性能,在航空、航天、武器和汽车等领域具有广阔的应用前景。然而,钛合金及钛基复合材料的模锻和超塑性成型通常都是在900?C左右的高温下进行,坯料和模具的氧化问题十分突出,因此必须在真空、保护气氛或者涂覆防氧化涂层的保护下进行,增加了制造和加工的成本。近些年发展起来的热氢处理技术,能够改善钛合金的高温塑性,降低热变形的流变应力和成形温度,从而降低其热加工成本。 采用了熔铸法通过Ti、B4C、石墨、AlV合金和纯Al之间的原位反应,成功合成了以Ti-6Al-4V合金为基体,TiB和TiC为增强体的复合材料,增强体的体积分数为5%,TiB和TiC摩尔比为1:1。得到的材料增强体分布均匀,且与集体界面干净,无反应物存在,TiC为短纤维状,而TiB为等轴状。原位合成的铸态的复合材料典型的铸态组织,基体由浅色的α层片和深色的β层片组成钛基复合材料的增强体分布均匀,与基体界面结合良好。 氢作为β相稳定化元素,显著地降低了钛基复合材料的相变温度,随着氢含量的增加,钛基复合材料的相变点降低。氢含量为0 wt.%的材料相变温度为1020°C,氢含量为0.15 wt.%的材料,相变温度约为935°C,氢含量为0.60 wt.%的材料,相变温度约为825°C。因此热氢处理可以使钛基复合材料在较低的温度下进行开坯锻造、轧制等热加工,这为改善钛基复合材料的热加工提供了重要的便利条件,有助于降低对设备和工装的要求,可以在生产中大大节约成本。 本论文主要开展复合材料热氢处理,包括置氢、热变形、真空退火除氢等工艺研究。对复合材料进行了相分析和微观组织的观察,氢含量为0 wt.%和0.15 wt.%的复合材料的锻造温度在α+β两相区,最后都获得了等轴的α+β组织;而氢含量为0.60 wt.%的材料的锻造温度在β相区,获得了α′′马氏体相和β相,它们在真空退火时分解成均匀细小的α相和β相。经过真空退火后,氢含量为0.15 wt.%的材料的室温和高温的力学性能与氢含量为0 wt.%的材料的性能相比略有提高;但是延伸率略有下降:而氢含量0.60 wt.%的材料的室温和高温抗拉强度均比氢含量为0 wt.%的材料分别提高了122MPa和171MPa ,同时延伸率没有变化。晶粒的细化是导致材料力学性能提高的原因,因为氢含量为0.15 wt.%的复合材料的氢含量相对比较低,所以细化作用不明显,而氢含量为0.60 wt.%的复合材料由于氢含量比较高,所以细化作用较明显,获得了较好的力学性能。复合材料中的增强体在室温的断裂机制为短纤维承载断裂,增强体与基体的界面结合完好,加载在基体上的载荷可以有效的转移到增强体上,增强体起到了显著的强化的作用。高温下的断裂机制仍以短纤维承载断裂为主,个别的TiC增强体出现了脱粘现象,这主要与增强体的长径比有关,不同的短纤维长径比具有不同的断裂机制。 综上所述,对颗粒增强钛基复合材料进行热氢处理后,能在真空退火后恢复材料的力学性能。如果选择适当的热氢处理工艺参数,还能提高钛基复合材料的室温和高温力学性能


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