粉末冶金多元增强钛基复合材料的制备、微观结构及力学性能

摘要

钛基复合材料具有高比强度、高比模量、高温性能好等优点而成为研究的热点。多元增强钛基复合材料因为不同种类和不同尺寸的增强体之间的耦合作用而具有更优良的综合性能和结构功能一体化的特征。钛合金产品的高成本是阻碍其工业化应用的主要原因，而粉末冶金工艺的近净成形等特点，使它能够大幅降低产品成本，成为工业化生产钛合金产品的有效途径。 本研究采用粉末冶金热压法，通过钛粉与石墨、B4C和稀土硼化物LaB6粉末的化学反应，原位合成了TiB、TiC和稀土氧化物La2O3多元增强的钛基复合材料。通过实验优化了热压工艺，制备了不同增强体含量和不同稀土含量的钛基复合材料，对其微观结构、成形机理、力学性能和失效机制开展研究并得到以下主要结论： 1. 通过设计不同的工艺参数，对比分析材料相结构和微观形貌而得到热压法的优化工艺参数为：压强50MPa，热压温度1200℃，热压时间3h，此时原位反应完全，材料接近全致密。 2. 运用光学显微镜、X射线衍射仪和扫描电镜分析了材料的物相、微观组织和增强体形貌。结果表明：增强体在基体中总体分布均匀，但局部偏聚。增强体主要分为四类：等轴状或近等轴状的TiC，针尖状的TiB，以及TiB和TiC混合组成的条状或块状增强体，条状和块状增强体形状不规则、体积较大，往往堆聚或相连。各种增强体与界面结合良好。粉末冶金原位自生钛基复合材料的成形过程包括烧结反应和固相反应，增强体的生长机制为固态扩散机制。 3. 粉末冶金钛合金的力学性能比铸造钛合金的更好，原位合成的TiB和TiC增强体提高了基体合金的室温和高温抗拉强度，但材料塑性有所降低。在室温下，抗拉强度随增强体含量的增加而增加，塑性下降明显，强化机理包括增强体的承载、基体晶粒的细化和增强体引起的基体应变，失效机制是针尖状的TiB和体积较大的增强体的断裂，或者部分条状增强体的界面脱粘；高温下增强体含量多的复合材料的抗拉强度可能比含量少的还低，高温强化机制是增强体的承载和它对位错运动和晶界滑移的阻碍，主要失效机制是条状增强体的界面脱粘。 4. 稀土元素以LaB6为介质添加后，生成的La2O3为颗粒状或团状，包含在由TiB和TiC混合组成的大体积块状或条状增强体中间，两者的界面晶格不匹配，结合不牢。它们在室温下容易破裂，高温下容易脱粘，这导致复合材料的室温和高温抗拉强度和塑性都有所降低。要发挥稀土元素的增强作用，需要改变其添加方式。 本研究中采用粉末冶金工艺制备的钛基复合材料的增强体总体分布均匀，与基体结合良好，力学性能优良，这为工业上大规模生产高性能、低成本的钛基复合材料产品打下基础。