原位自生钛基复合材料的热氢处理研究

摘要

钛基复合材料具有比钛合金更高的比强度和比模量，优异的高温性能和蠕变性能，具有广阔的应用前景。近净塑性成形具有生产工序少、成本低、材料利用率高等优点，是钛基复合材料理想的成形方式。而高温变形塑性差、流变应力大、设备要求高、高温防护费用高等特点使钛基复合材料的近净塑性成形等热加工变得困难。近些年发展起来的热氢处理技术，能够改善钛合金的高温塑性，降低热变形的流变应力和成形温度，从而降低其热加工成本。
　　 针对钛基复合材料热加工困难的问题，本课题将热氢处理技术应用于改善颗粒增强钛基复合材料的热加工：制备了综合力学性能良好的原位自生钛基复合材料，研究了其置氢行为及置氢后的微结构和相变，阐明了置氢钛基复合材料高温流变行为和组织演变的规律，建立了高温变形的本构方程和加工图，开展了超塑性研究并探索了其超塑变形机制，最后对大尺寸的钛基复合材料进行了热氢处理并研究了其微观组织和力学性能。获得如下主要结论：
　　 利用Ti与B4C粉末和石墨之间的反应，采用熔铸法成功制备了增强体含量为5 vol.％的原位自生(TiB+TiC)/Ti-6Al-4V复合材料。钛基复合材料棒材的室温屈服强度和抗拉强度均比Ti-6Al-4V合金提高了10％以上，延伸率为12.6％。
　　 研究了钛基复合材料的置氢行为、置氢后的微结构和相变。随着置氢温度升高，置氢组织逐渐粗大。在750℃置氢，随氢含量增加，β1相和δ氢化物相逐渐增多，氢化物的体积效应导致α相内形成较多位错和氢化物内部出现孪晶结构。置氢显著降低了钛基复合材料的α+β/β相变温度。氢含量超过0.45wt.％，相变温度下降约200℃，达到共析转变温度。
　　 研究了不同氢含量的钛基复合材料在不同变形温度和应变速率下的高温流变行为和组织演变，阐明了其高温变形的规律。置氢钛基复合材料的流变应力随变形温度升高而减小，随应变速率增加而增大。置氢降低了钛基复合材料的流变应力，随氢含量增加，流变应力先降低后升高。氢对α相的软化、对β相的固溶强化以及氢化物的析出导致流变应力出现最小值。在相同应力水平下，置氢降低了变形温度，提高了应变速率。在两相区变形，α相的动态再结晶是主要的软化机制。置氢加快了α相的动态再结晶速度，降低了α相的动态再结晶温度。置氢还改善了增强体和基体的协调变形。在高应变速率下变形，置氢材料的组织相对细小，动态再结晶体积分数也较小。在α+β相区获得最多β相的氢含量为钛基复合材料的最佳氢含量，此时流变应力最小。
　　 通过700℃～950℃和0.001s-1～10s-1的等温压缩实验，建立了原始钛基复合材料和置氢钛基复合材料(0.40wt.％H)的本构方程和加工图。与原始钛基复合材料相比，置氢钛基复合材料在α+β相区的变形激活能没有变化；变形温度低与增强体的共同作用导致置氢钛基复合材料在β相区的变形激活能较高。置氢显著降低了钛基复合材料获得高的功率耗散效率的温度，减小了其加工图中的失稳区。在低温、高应变速率下变形，绝热引起的局部塑性流变和增强体与基体界面开裂是失稳的主要因为；在中温、中应变速率下变形，动态再结晶是获得高的功率耗散效率的主要因为。
　　 研究了置氢钛基复合材料的超塑性能、流变行为和组织演变，探讨了其超塑变形机理。置氢显著降低了钛基复合材料的最佳超塑变形温度，提高了其最佳应变速率。在相同的延伸率下，可降低超塑变形温度100℃或提高应变速率一个数量级。置氢减少和推迟了增强体和基体不协调变形产生的孔洞和裂纹，使钛基复合材料的超塑性能得到显著改善。氢化物和增强体稳定了置氢组织，使高氢含量的钛基复合材料在中、高应变速率下获得了最好的超塑性能。晶/相界运动是置氢钛基复合材料主要的超塑变形机制，而位错运动和动态再结晶在超塑变形的过程起到了协调变形的作用。
　　 对大尺寸的钛基复合材料进行了热氢处理并研究了其微观组织和力学性能。在1000℃～880℃进行锻造，氢含量为0wt.％和0.15wt.％的材料获得了等轴α+β组织；氢含量为0.60wt.％的材料获得了α

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学博士学位论文答辩决议书

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 钛基复合材料研究进展

1.2.1 钛基复合材料的制备

1.2.2 钛基复合材料的二次加工

1.3 热氢处理的研究现状

1.3.1 热氢处理的基本原理

1.3.2 热氢处理在热变形中的应用

1.3.3 热氢处理在超塑性变形中的应用

1.3.4 热氢处理在冷加工中的应用

1.3.5 热氢处理在扩散加工中的应用

1.3.6 热氢处理在切削加工中的应用

1.3.7 热氢处理在改善组织和力学性能方面的应用

1.3.8 热氢处理在钛基复合材料中的应用

1.4 本课题的主要研究内容

参考文献

第二章 原位自生钛基复合材料的制备、微结构和力学性能

2.1 引言

2.2 材料制备

2.3 实验方法

2.4 微结构分析

2.4.1 相分析

2.4.2 增强体的形态

2.4.3 铸态显微组织

2.4.4 开坯锻造后的显微组织

2.4.5 轧制后的显微组织

2.5 室温和高温力学性能

2.6 本章小结

参考文献

第三章 钛基复合材料置氢行为、微结构和相变研究

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 置氢行为的研究

3.3.1 理论基础

3.3.2 温度对置氢行为的影响

3.3.3 保温时间对置氢行为的影响

3.3.4 平衡氢压与氢含量的关系

3.4 微结构分析

3.4.1 光学金相分析

3.4.2 室温物相分析

3.4.3 高温物相分析

3.4.4 透射电镜分析

3.5 相变温度与氢含量的关系

3.6 本章小节

参考文献

第四章 置氢钛基复合材料高温流变行为和微观组织演变

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 流变行为分析

4.3.1 氢含量对流变行为的影响

4.3.2 变形温度对流变行为的影响

4.3.3 应变速率对流变行为的影响

4.4 微观组织的演变规律

4.4.1 氢含量对变形组织的影响

4.4.2 变形温度对变形组织的影响

4.4.3 应变速率对变形组织的影响

4.5 最佳氢含量

4.6 本章小节

参考文献

第五章 置氢钛基复合材料高温变形的本构方程和加工图

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 高温变形的本构方程

5.3.1 金属材料高温变形本构方程的理论基础

5.3.2 原始钛基复合材料的真应力-应变曲线

5.3.3 原始钛基复合材料流变应力的修正

5.3.4 原始钛基复合材料高温变形的本构方程

5.3.5 置氢钛基复合材料的真应力-应变曲线

5.3.6 置氢钛基复合材料流变应力的修正

5.3.7 置氢钛基复合材料高温变形的本构方程

5.4 加工图研究

5.4.1 加工图理论基础

5.4.2 原始和置氢钛基复合材料的加工图

5.4.3 安全区域和损伤分析

5.5 本章小节

参考文献

第六章 置氢钛基复合材料超塑性研究

6.1 引言

6.2 实验方法

6.3 置氢基体合会的超塑变形

6.3.1 超塑变形实验结果

6.3.2 流变行为

6.3.3 应变速率敏感因子和激活能

6.3.4 微观组织演变

6.4 置氢钛基复合材料超塑变形

6.4.1 超塑变形实验结果

6.4.2 流变行为

6.4.3 应变速率敏感因子和激活能

6.4.4 微观组织演变

6.5 本章小结

参考文献

第七章 钛基复合材料热氢处理的微观组织和力学性能

7.1 引言

7.2 实验方法

7.3 热氢处理过程中的微观组织演变

7.3.1 置氢后的显微组织

7.3.2 锻造后的物相分析和显微组织

7.3.3 真空退火后的物相分析和显微组织

7.4 室温和高温力学性能

7.5 分析与讨论

7.6 本章小节

参考文献

结论和主要创新点

作者攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利

致谢