准连续网状TiBw/TC4复合材料的两步烧结工艺研究

摘要

钛基复合材料具有高比刚度、高比强度、优良的高温性能及耐磨性能、较低的热膨胀系数等特点，在航空航天，汽车制造等许多领域具有非常大的应用潜力。传统钛基复合材料中增强体通常是均匀分布在基体内，强度提高的同时，基体之间的连通性遭到破坏，导致材料的塑性下降。非均匀复合材料在一定程度上可以解决这个问题。在非均匀复合材料中，准连续网状复合材料的结构是硬质增强相弥散分布在大尺寸基体颗粒周围，在提高材料强度的同时，准连续网状结构保持了基体的完整性和连通性，能有效地降低裂纹尖端的应力集中，提高复合材料韧性。在准连续网状TiBw增强Ti-6Al-4V（TC4）复合材料中，TiBw呈针状、树枝状、爪状等结构钉轧到基体内部，强度提高的同时保持了基体的连通性和完整性，使得材料具有较好的综合性能。然而在后续的形变过程中，TiBw结构遭到破坏，界面结合强度较低，材料性能有所下降。因此针对这一问题，我们通过不同工艺来减少材料组织结构上的缺陷。 本文工作是采用两步烧结工艺制备准连续网状TiBw/TC4复合材料。在第一步预烧结过程中通过控制烧结温度来控制原位反应并且使材料成型，其次利用热轧变形来改善增强相在大尺寸基体颗粒周围的分布；第二步烧结（二次烧结）实现TiB2与Ti的再次反应，使生成的TiBw在界面上形成钉扎作用从而达到改善组织性能的效果。 在第一步预烧结工艺中，选择在1000℃，1100℃，1200℃三个温度下真空烧结1h，然后随炉冷至室温，不同预烧结温度下的TiBw/TC4材料的致密度约为85%；随后选择预烧结温度为1000℃和1200℃的TiBw/TC4复合材料进行多道次热轧变形，热轧温度为900℃，变形量50%，热轧工艺改善了增强相的分布状态并且提高了材料致密度，复合材料致密度达到91%；在二次烧结工艺中，烧结温度为1200℃，烧结时间2h，制备出准连续网状TiBw/TC4复合材料，复合材料致密度略有上升，达到92%左右。在第一步预烧结态网状TiBw/TC4复合材料中，组织相对疏松，TiB2颗粒分布不均匀并且具有团聚现象，基体内部α相和β相呈片层状分布，增强相呈网状分布在基体周围，TiBw增强相尺寸和含量随预烧结温度升高而增加。热轧后材料组织相对致密，TiB2颗粒团聚现象明显改善，空隙明显减小。在二次烧结态准连续网状TiBw/TC4复合材料中，针状Ti B w呈准连续网状分布在基体周围，在界面上起到钉轧作用，增大界面结合强度，基体内部组织为等轴状α相，并且预烧结温度为1000℃的复合材料经热轧及二次烧结后成为连通性较好的准连续网状材料，基体硬度达到618HV。

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