硼化钛基陶瓷/钛合金梯度纳米结构复合材料组织演化、损伤失效与抗弹性能研究

摘要

基于陶瓷/钛合金之间的熔化连接和原子互扩散,采用离心反应熔铸工艺成功制备出具有连续梯度特征的TiB2基陶瓷/Ti-6Al-4V合金层状复合材料.陶瓷/钛合金连续梯度复合材料分为陶瓷基体、中间过渡区及金属基底三层结构,且陶瓷/钛合金层间原位形成以陶瓷相(TiB2、TiC1-x)、Ti基合金相尺寸与体积分数为特征的梯度纳米结构(微米→微纳米→纳米)复合界面.经三点弯曲强度及层间剪切强度测试,该复合材料层间剪切强度、弯曲强度、断裂韧性分别达到335±35MPa、862±45MPa与45±15MPa.经FESEM断口形貌观察,发现陶瓷/钛合金层间剪切断裂诱发TiB2、TiB棒晶的自增韧机制及有限的Ti基合金延性相增韧机制,故使层间剪切测试与三点弯曲测试得出的载荷/位移曲线均呈现出近乎线性上升趋势.经对TiB2基陶瓷、陶瓷/钛合金层状复合材料进行14.5军用制式穿甲弹DOP靶试,得出两种材料的平均防护系数分别为3.05和7.30,因此可认为正因在陶瓷/钛合金层间原位生成梯度纳米结构复合界面,不仅改善陶瓷/钛合金之间声阻抗匹配,而且又使陶瓷/钛合金层间保持高的结合强度,进而在陶瓷/钛合金层状复合材料遭受弹体冲击时,诱发界面载荷传递与剪切耦合的双重效应,最终在表观上使陶瓷/钛合金层状复合材料的防弹性能得以显著提升.