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耐热钛基复合材料(TiB+La_2O_3)/Ti的微结构及力学性能研究

张珍桂  
【摘要】: 近年来,耐高温钛基复合材料,由于其高的比强度、比模量、优异的抗蠕变性能、可靠的热稳定性、抗氧化性以及高的疲劳强度等高温性能而被广泛地应用在航空,航天,汽车等领域。因此,进一步提高钛基复合材料的高温性能十分重要。原位自身合成的增强体分布均匀,与基体结合良好,工艺简单,材料性能优异,在技术和经济上更为可行。完全层片状的组织具有较好的高温蠕变,高温冲击韧性,断裂韧性等综合性能,也是本研究选择的基体组织。少量的硼添加能够提高硬度,高温强度,蠕变性能,疲劳以及摩擦性能;稀土元素能够通过与基体氧的反应生成硬且热稳定的稀土氧化物,达到细化基体合金和提高抗氧化性的目的。钛基复合材料高温力学性能主要取决于钛基体、增强体的微观组织特性以及增强体与增强体、增强体与基体界面结构。因此,深入研究钛基复合材料基体的微观结构,增强体的体积分数以及形态,为今后设计和优化高温钛基复合材料提供理论依据。 针对以上研究方向,提出在钛基复合材料的制备过程中,利用原位合成方法,采用海绵钛、基体合金和LaB6粉末,通过真空自耗电弧熔炼的方法,原位合成二元增强的钛基复合材料(TiB+La2O3)/Ti。并运用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM))分析复合材料的微观组织。为了研究基体微观组织对性能的影响,采用了两种不同温度的β相区热处理,对热处理后的基体合金、增强体微结构进行了观察和分析,据此来探讨基体和增强体微结构对原位自生钛基复合材料力学性能的影响。本文的研究主要结果包括以下几个方面: (1)复合材料增强体为晶须状TiB和近等轴状La2O3颗粒,TiB短纤维沿加工方向形成了定向排布,增强体分布均匀,其中La2O3主要以纳米级的细小颗粒弥散地分布在基体中。增强体与基体界面干净,没有反应物存在。 (2)室温拉伸性能对耐热钛基复合材料的基体微观组织十分敏感。研究了在β相变点以上10℃(Tβ+10℃)和β相变点以上20℃(Tβ+20℃)热处理的复合材料的组织和力学性能。合适的热处理温度(Tβ+10℃)可以得到细小的网篮状基体组织和好的综合力学性能。不合适的热处理温度(Tβ+20℃)导致基体组织急剧长大并且室温塑性下降约70%,在高温拉伸时增强体的高温增强效果被粗化的基体组织弱化,三种材料在同一温度下的抗拉强度十分接近。 (3)研究了在合适的温度(Tβ+10℃)热处理后增强体体积分数对耐热钛基复合材料拉伸性能和蠕变性能的影响。增强体的长径比对耐热钛基复合材料的综合力学性能起着关键作用。在室温和600?C时,TiB短纤维断裂成为最主要的失效模式,在650?C和700?C时,TiB短纤维端部与基体脱粘为主要失效模式。增强体含量中等(2.1vol. %)的复合材料生成了最为细长的TiB晶须,增强体含量最高的复合材料中基体组织是最为细小的,说明增强体的生成细化基体,但是进一步的添加LaB6将导致生成的TiB晶须变得粗大。室温、高温拉伸和蠕变测试结果表明TMC2获得了最好的综合力学性能,其中TiB晶须的有效承载和细晶强化是主要影响因素。


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