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热加工对TiC颗粒增强钛基复合材料组织与性能的影响

胡加瑞  
【摘要】:颗粒增强钛基复合材料具有高比强度、高比模量、高耐蚀性、高耐磨性等特点,在航空、航天及汽车制造等工业领域有广泛的应用前景,越来越受到人们的关注。利用原位生成方法制备的颗粒增强钛基复合材料避免了外加增强体颗粒的界面污染问题,并且工艺简单,得到了广泛的研究。但是随着增强体的加入,在相对较软的基体上分布了很多硬度很高的增强体颗粒,使得钛基复合材料的加工性能变差,在较大程度上加大了钛基复合材料的工程化应用的难度。因此,为了提高钛基复合材料的变形性能,研究合适的热加工工艺路线,深分析在各种条件下的高温变形行为,避免热变形开裂等失稳现象的产生具有积极意义。 本研究选择以原位生成TiC颗粒增强钛基复合材料为研究对象,借助热模拟及锻造等实验手段,通过差热分析(DTA)、X射线衍射(XRD)、光学显微镜(OPM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDS)、显微硬度计等手段,研究了变形工艺参数对其高温变形时流变应力的影响,建立其高温变形时的加工图;同时研究了热变形对组织及性能的影响,钛基复合材料的摩擦磨损行为。得出以下结论: (1)在应变速率为0.001~1s-1,变形温度700℃-950℃的变形条件下,钛基复合材料的高温变形行为强烈地受变形温度和应变速率的影响。当变形温度一定时,流变应力随应变速率的增大而增大,而在恒应变速率条件下,真应力水平随温度的升高而降低。利用Zener-Hollomon参数建立了钛基复合材料的双曲正弦流动应力本构方程模型,获得了相应的热变形激活能和材料参数。钛基复合材料p相区的热变形激活能值为227KJ.mol-l,在(α+p)相区激活能为357mol-1。 (2)TiC颗粒增强钛基复合材料热变形的主要机制是动态再结晶,温度的升高可以促进动态再结晶的进行,为获得细小均匀的动态再结晶组织,应适当的降低变形温度和提高应变量。 (3)绘制了钛基复合材料在应变为0.1、0.3、0.5和0.7时的热加工图。在四种真应变条件下,钛基复合材料在低温和高温下均有2个流变失稳区域出现,制定热加工工艺时应避开这些区域。在部分失稳条件下的样品中观察到了绝热剪切带、压缩试样表面纵向开裂等失稳现象。钛复合材料在温度为900℃-950℃,应变速率为0.01s-1-0.001s-1压缩变形时,功率耗散效率η处于50%-55%范围内,发生完全的动态再结晶,是钛基复合材料的最佳加工区域。 (4)钛基复合材料的断口为TiC解理断裂与基体局部延性断裂相结合的混合型断口。钛基复合材料中基体与TiC颗粒界面结合良好,具有较高的界面结合强度,拉伸变形过程中,载荷从集体转移到增强体TiC粒子,增强体承受大部分载荷,其断裂机制可以认为是载荷不断增加导致粒子首先断裂,裂纹再在基体中迅速扩展,导致复合材料失效。 (5)钛基复合材料的摩擦因数随时间的变化幅度较大,摩擦初期,复合材料具有较好的耐磨性能,摩擦系数稳定;随着摩擦时间的延长,磨面上的TiC颗粒将在高的表面切应力的作用下发生破碎,失去其承载作用,磨损量变大。钛基复合材料的磨痕区除了钛元素外,还出现了少量Fe等元素;磨损后O元素含量明显增高,表明复合材料表面上的Ti可能元素已被氧化,此时磨损机制以氧化磨损为主。


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