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增强体准连续网状分布钛基复合材料研究

作　者: 黄陆军
导　师: 耿林；Hua-Xin Peng
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 钛基复合材料 TiB晶须准连续网状分布反应热压烧结原位自生
分类号: TB331
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文以提高钛基复合材料室温塑性和高温强度为目标,设计出一种增强体呈准连续网状分布的钛基复合材料,并利用原位反应自生技术结合粉末冶金的方法,采用机械混粉加热压烧结技术,基于大尺寸钛合金粉与细小TiB2粉成功制备出增强体准连续网状分布的TiB晶须增强钛基复合材料(TiBw/Ti)。网状分布的增强相有效地提高了增强体的增强效果及基体的韧化效果,因此复合材料表现出优异的室温及高温综合力学性能。采用扫描电镜(SEM)对复合材料中增强体准连续网状分布结构特征、增强体形态与分布、基体组织及裂纹扩展行为进行了研究。采用室温拉伸、室温压缩、超声共振技术及高温拉伸方法对不同状态复合材料强度、塑性、弹性模量、泊松比及高温性能进行了测试及评价,分析了增强体网状分布复合材料的增强机制;并研究了后续热挤压、热轧制、热处理等强化手段对其组织与性能的影响。采用相同的原料及烧结工艺、不同的球磨工艺,成功制备出了增强体分别呈均匀分布与准连续网状分布的TiBw/Ti复合材料。室温拉伸性能测试表明,增强体呈准连续网状分布较增强体呈均匀分布的烧结态TiBw/Ti复合材料显示出了更优异的强度及塑性。增强体体积分数为8.5%的TiBw/Ti复合材料抗拉强度较纯Ti提高了71%,室温延伸率保持到11.5%。采用相同工艺制备了系列不同增强体含量的准连续网状结构TiBw/TC4(200μm)复合材料,优化了网状结构参数(网的尺寸及网中局部增强相含量)。其中网的尺寸取决于原始基体颗粒尺寸;网中局部增强相含量取决于原始基体颗粒尺寸和复合材料平均增强相含量。室温拉伸性能及SEM组织分析表明,由于特殊的网状结构,存在最佳的增强体含量及基体颗粒尺寸。其中对于直径为200μm的TC4原始基体颗粒,当复合材料平均增强相含量为5vol.%时,得到最佳的网状结构和综合性能。在网状结构中,除了观察到大量的棒状晶须,还发现了树枝状、自焊接、机械锁、爪子状等分叉晶须,进一步增加了增强相晶须的增强效果和裂纹阻碍作用。在复合材料冷却过程中,由于β→α相变的体积收缩受到网状结构的限制,促进了网内等轴α相的形成,提高了基体塑性。原始颗粒尺寸和复合材料平均增强相含量对复合材料拉伸性能有很大影响。当原始颗粒尺寸一定时,随平均增强相含量的提高,复合材料的强度提高,塑性下降;当平均增强相含量一定时,随原始颗粒尺寸的增加,复合材料的强度提高,塑性下降。当原始TC4颗粒尺寸为110μm,复合材料平均增强相含量为8.5vol.%时,烧结态TiBw/TC4复合材料抗拉强度与延伸率分别达到1288MPa和2.6%;当原始TC4颗粒尺寸为200μm,复合材料平均增强相含量为3.5vol.%时,TiBw/TC4复合材料抗拉强度与延伸率分别达到1035MPa和6.5%。网状结构的高效承载能力和梯度界面导致高的界面结合强度是复合材料强化的主要原因;网内基体合金塑性的充分发挥和网中晶须对裂纹的阻碍作用是复合材料塑性提高的主要原因。断裂研究表明,在复合材料整体断裂之前,网中部分晶须发生折断,并伴随着微裂纹的产生,裂纹在网中扩展过程中受到晶须阻碍作用,裂纹发生分叉,提高了断裂消耗的能量,改善了复合材料的强韧性。由于网状结构中,局部增强相含量较高,使网状结构具有较高的高温承载能力,同时网中晶须的梯度分布使网与基体的界面结合强度提高,形成高温“晶界强化”效应,导致网状结构TiBw/TC4复合材料表现出更高的高温强度。高温拉伸性能测试表明,以相同的拉伸强度为判据,网状结构TiBw/TC4复合材料的使用温度比TC4合金可以提高150~200℃。热变形和热处理可以进一步改善复合材料的力学性能。热挤压变形导致基体形变及热处理强化、晶须定向排列和局部增强相含量降低,有效地提高了复合材料的强度和塑性。热处理强化了基体合金,提高了复合材料的强度,但降低了塑性。烧结态TiBw/TC4复合材料经强化热处理后最高抗拉强度可以达到1423MPa。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-17
第1章绪论  17-43
  1.1 研究意义  17-18
  1.2 国内外研究现状与分析  18-21
  1.3 基体与增强体选择  21-24
    1.3.1 基体的选择  21
    1.3.2 增强体的选择  21-24
  1.4 非连续增强钛基复合材料原位反应制备方法  24-28
    1.4.1 气-固反应法  24-26
    1.4.2 固-液反应法  26-27
    1.4.3 固-固反应法  27-28
  1.5 非连续增强金属基复合材料组织结构优化  28-32
  1.6 非连续增强钛基复合材料的力学性能  32-39
    1.6.1 复合材料协同效应概念  32-33
    1.6.2 非连续增强钛基复合材料的室温拉伸性能  33-35
    1.6.3 复合材料的弹性模量  35-39
  1.7 非连续增强钛基复合材料变形及热处理  39-42
    1.7.1 热变形对非连续增强钛基复合材料性能的影响  39-41
    1.7.2 热处理对非连续增强钛基复合材料组织与性能的影响  41-42
  1.8 本文主要研究内容  42-43
第2章试验材料与研究方法  43-49
  2.1 试验用原材料  43-44
  2.2 材料制备工艺及研究方案  44-45
  2.3 材料的组织结构分析  45-46
    2.3.1 X 射线衍射分析  45
    2.3.2 显微组织观察  45-46
  2.4 测试方法  46-49
    2.4.1 室温拉伸试验  46
    2.4.2 高温拉伸试验  46-47
    2.4.3 室温压缩试验  47
    2.4.4 室温显微硬度测试  47
    2.4.5 弹性模量测试  47-48
    2.4.6 泊松比测量  48-49
第3章增强体准连续网状分布钛基复合材料设计与制备  49-60
  3.1 前言  49
  3.2 反应体系热力学设计  49-51
  3.3 增强体准连续网状分布钛基复合材料的设计  51-54
    3.3.1 增强体准连续网状分布钛基复合材料组织结构设计  51
    3.3.2 增强体准连续网状分布钛基复合材料增强体含量设计  51-54
  3.4 增强体准连续网状分布TiBw/Ti 复合材料的制备  54-58
    3.4.1 增强体准连续网状分布TiBw/Ti 复合材料制备工艺  54-56
    3.4.2 增强体准连续网状分布TiBw/Ti 复合材料组织分析  56-57
    3.4.3 增强体准连续网状分布TiBw/Ti 拉伸性能  57-58
  3.5 本章小结  58-60
第4章增强体准连续网状分布TiBw/TC4 复合材料组织形成规律与机制  60-83
  4.1 前言  60
  4.2 准连续网状结构5vol.% TiBw/TC4 复合材料的制备  60-66
    4.2.1 烧结态TC4 钛合金组织分析  60-61
    4.2.2 准连续网状结构5vol.%TiBw/TC4 复合材料组织分析  61-66
  4.3 烧结工艺对网状结构TiBw/TC4 复合材料组织的影响  66-69
  4.4 网状结构TiBw/TC4 复合材料网中组织特征分析  69-80
    4.4.1 整体增强体含量对TiBw/TC4 复合材料组织的影响  69-72
    4.4.2 基体颗粒尺寸对TiBw/TC4 复合材料组织的影响  72-75
    4.4.3 网状结构中TiBw 销钉状结构形成机理  75-76
    4.4.4 网状结构中不同形貌TiBw 结构形成机理  76-80
  4.5 网状结构TiBw/TC4 复合材料网内基体等轴组织形成  80-82
  4.6 本章小结  82-83
第5章增强体准连续网状分布TiBw/TC4 复合材料的力学行为  83-126
  5.1 前言  83
  5.2 准连续网状结构TiBw/TC4 复合材料微观性能  83-85
    5.2.1 网状结构TiBw/TC4 复合材料显微硬度测试  83-84
    5.2.2 网状结构TiBw/TC4 复合材料微观弹性性能  84-85
  5.3 烧结工艺对TiBw/TC4 复合材料室温拉伸性能影响  85-86
  5.4 增强体含量及基体颗粒尺寸对TiBw/TC4 复合材料室温拉伸性能影响  86-92
    5.4.1 增强体含量对TiBw/TC4 复合材料室温拉伸性能影响  86-88
    5.4.2 基体颗粒尺寸对TiBw/TC4 复合材料室温拉伸性能影响  88-92
  5.5 网状结构TiBw/TC4 复合材料的弹性特性分析  92-97
    5.5.1 网状结构TiBw/TC4 复合材料的弹性模量  92-93
    5.5.2 网状结构TiBw/TC4 复合材料的泊松比  93-97
  5.6 增强体准连续网状结构TiBw/TC4 复合材料断裂及增强机制  97-111
    5.6.1 网状结构TiBw/TC4 复合材料断口分析  97-99
    5.6.2 准连续网状结构TiBw/TC4 复合材料裂纹扩展分析  99-105
    5.6.3 网状结构TiBw/TC4 复合材料模型建立及增强机制  105-111
  5.7 烧结态网状结构钛基复合材料高温性能  111-124
    5.7.1 烧结态TiBw/TC4 复合材料高温拉伸性能  111-113
    5.7.2 烧结态TiBw/TC4 复合材料高温拉伸断口分析  113-115
    5.7.3 烧结态网状结构TiCp/TC4 复合材料高温氧化性能  115-120
    5.7.4 网状结构(TiBw+TiCp)/TC4 复合材料制备  120-124
  5.8 本章小结  124-126
第6章热变形及热处理后准连续网状结构TiBw/TC4复合材料组织与性能  126-161
  6.1 引言  126
  6.2 热挤压对TiBw/TC4 复合材料组织与性能的影响  126-133
    6.2.1 热挤压对TiBw/TC4 复合材料组织的影响  127-130
    6.2.2 热挤压对TiBw/TC4 复合材料拉伸性能的影响  130-132
    6.2.3 挤压态网状结构TiBw/TC4 复合材料拉伸断裂分析  132-133
  6.3 热轧制对网状结构TiBw/TC4 复合材料组织与性能的影响  133-137
    6.3.1 热轧制对TiBw/TC4 复合材料组织的影响  134-136
    6.3.2 热轧制对TiBw/TC4 复合材料拉伸性能的影响  136-137
  6.4 变形态网状结构TiBw/TC4 复合材料弹性性能  137-139
  6.5 热处理对网状结构TiBw/TC4 复合材料组织与性能影响  139-147
    6.5.1 淬火温度对TiBw/TC4 复合材料组织的影响  140-144
    6.5.2 淬火温度对TiBw/TC4 复合材料力学性能的影响  144-146
    6.5.3 时效温度对TiBw/TC4 复合材料组织与性能的影响  146-147
  6.6 热处理对挤压态TiBw/TC4 复合材料组织与性能的影响  147-151
    6.6.1 热处理对挤压态复合材料组织的影响  148-150
    6.6.2 热处理对挤压态复合材料拉伸性能的影响  150-151
  6.7 挤压态及热处理态5vol.% TiBw/TC4 复合材料高温拉伸性能  151-156
    6.7.1 挤压态5vol.% TiBw/TC4 复合材料高温拉伸性能  151-153
    6.7.2 热处理态5vol.% TiBw/TC4 复合材料高温拉伸性能  153-156
  6.8 网状结构钛基复合材料生产潜能及展望  156-159
    6.8.1 网状结构钛基复合材料生产潜能  156-159
    6.8.2 网状结构钛基复合材料展望  159
  6.9 本章小结  159-161
结论  161-163
参考文献  163-176
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  176-180
致谢  180-181
个人简历  181

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