原位自生颗粒增强7715D基复合材料的超塑性研究

摘要

钛合金由于比强度高、抗蚀性优异，已成为航空航天工业、化学工业、医药工程和休闲行业优先选用的材料。传统高温钛合金只能在略高于500oC的温度下使用，不能满足航空航天等领域的应用需求。原位合成陶瓷颗粒增强钛基复合材料能大幅提高材料的比模量、比强度和蠕变性能，进一步提高使用温度以满足航空结构材料不断发展的需要。但钛基复合材料难以加工，这限制了它的应用和发展。用超塑成型的近终成型技术（near-net shape）生产金属基复合材料构件，不但可以节省材料消耗，还可以大幅降低加工成本，因此受到广泛关注。 本文以在航天领域获得应用的7715D钛合金为基体，利用钛与B、C或B4C之间的化学反应经普通熔炼和热加工工艺制备了不同体积含量的TiB、TiC和两者混合增强的7715D钛基复合材料，以期提高7715D钛合金的使用温度。XRD分析表明：可以合成不同含量、不同类型颗粒增强体强化的7715D基复合材料。经热处理得到网篮组织材料后，其室温、高温力学性能测试表明：增强体为2vol.％时，TiC/7715D综合力学性能最好，TiB/7715D的最次；但随体积分数的增加，TiC/7715D的力学性能提高不大，TiB提高明显；含量为5vol.％(TiC+TiB)/7715D在650oC时的高温力学性能与基体600oC相当。 测试了基体7715D钛合金及其复合材料的超塑性能，并观察其超塑变形前后的组织特征。结果表明：等轴基体的最大延伸率为1144％，等轴TiC/7715D的最大延伸率为802％，但存在一个转折点；网篮基体的延伸率达到730％，2vol.％网篮（TiC+TiB）/7715D则达到625％。以上复合材料与基体的应力应变曲线形状各异，且均出现二次硬化现象。等轴基体与等轴2vol.％TiC/7715D在初始应变速率不高于10-3s-1，温度高于950°C时，出现二次硬化现象；网篮基体与网篮为2vol.％的（TiC+TiB）/7715D在初始应变速率小于10-3s-1，温度高于1025°C，才出现二次硬化现象。与等轴初始组织材料相比，网篮初始组织材料也能获得较好的超塑性，超塑性能的好坏取决于超塑变形过程中的微观组织而非初始组织，二次硬化现象伴随有粗大晶粒现象。 分析表明该基体与复合材料超塑机理主要是动态回复与动态再结晶调节的晶界扩散及晶粒长大行为。析出相通过影响相变点产生网篮组织来调节变形过程中动态回复与动态再结晶的比例，以及弥散分布起到钉扎位错、阻碍晶粒长大来影响超塑行为。温度段与应变速率使得控制动态回复与动态再结晶的扩散机制改变，从而在不同温度段下不同应变速率晶粒长大倾向不同，从而引起二次硬化现象的产生条件不同。