原位自生钛基复合材料研究综述

近年来,由于原位自生钛基复合材料相对钛合金更为优异的综合性能,引起人们广泛关注。从制备方法、基体和增强体选择、微观结构、力学性能、抗氧化性能、超塑性变形与加工等方面,综述了目前原位自生钛基复合材料的研究进展。提出了目前研究中存在的问题和今后可能的发展方向。     

TiC颗粒强化钛基复合材料的高温拉伸特性

用预处理熔铸工艺制备的TiC颗粒增强钛基复合材料的室温和300℃～700℃拉伸性能测量表明：复合材料相应于未复合基体合金的强度增量在温室达到24%,而到650℃降为4%,表明复合材料的显微组织有利于室温和低于650℃中的等温度强化;400℃～500℃时出现动态变时效,但延性并未明显下降,意味着PTMP工艺制成的TiC/Ti复合材料间隙元素含量低;300℃～500℃下加工硬化明显增加,可能与复合体中位错密度度增加有关。     

应变速率对TP-650钛基复合材料拉伸力学行为的影响

研究TiC颗粒增强钛基复合材料TP-650室温拉伸状态下的应变率效应。通过与基体材料对比的准静态和动态拉伸力学实验,并利用扫描电镜SEM观察断口形貌特征,分析TiC颗粒增强钛基复合材料的拉伸力学行为。结果表明:应变率对颗粒增强钛基复合材料的力学行为具有较复杂的影响。在准静态下,基体和复合材料都非常接近理想弹塑性材料,且由于TiC颗粒的加入,TP-650钛复合材料较基体表现出较好的增强效果;在高应变率下,复合材料的力学性能并不优于基体材料的,且表现出较高的脆性;复合材料和基体材料在不同应变率条件下都不呈现单调的应变率效应。     

原位自生钛基复合材料高温氧化表面分析

利用海绵钛、高纯铝与TiC/Al中间合金的反应,采用非自耗电弧熔炼工艺,原位合成Ti-11Al-1.5C复合材料。将复合材料置于700~900℃的静止空气中氧化不同的时间,分析氧化时间、温度等因素对复合材料氧化动力学行为的影响。用配有能谱分析仪的扫描电镜对氧化层表面的显微结构及成分进行分析。结果表明,复合材料的氧化动力学曲线主要为抛物线类型;从低温短时氧化到高温长时氧化,氧化表面由接近基体本身的浅黄绿色逐步向深黄色转变,氧化产物则由TiO2和Al2O3的不均匀混合物层逐步转化为均匀的TiO2柱状六方晶层。     

Ti—15s／TiCp复合材料的拉伸断裂过程

用金相，ＳＥＭ和ＴＥＭ研究了ＰＴＭＰ技术制备的含１０％体积分数粒子的Ｔｉ－１５Ｓ／ＴｉＣ颗粒强化复合材料的显微组织，拉伸断口及拉断试样纵向显微组织特征，原始复合棒料是等轴晶组织，增强体ＴｉＣ粒子随机分布于基体中，增强体和基体界面连接良好，尺寸较大的ＴｉＣ粒子中有孔洞存在，有拉伸过程中，由于ＴｉＣ粒子是主要的承载体而首先断裂，粒子裂纹快速扩展到基体造成复合体快速断裂，尺寸较大的ＴｉＣ粒子中有原有孔洞     

固液反应合成铝基自生复合材料

利用Ａｌ－Ｍｇ合金液与Ｆｅ３Ｏ４粉末的反应,获得了细小Ａｌ－Ｆｅ相和Ａｌ２Ｏ３分布于铝基体上的复合材料;在离心铸造过程中,利用Ａｌ－Ｍｇ合金液与Ｆｅ２Ｏ３的反应,获得了外层含有初生Ａｌ－Ｆｅ相、内层不含初生Ａｌ－Ｆｅ相的复合材料。分析了复合材料的组织特征和物相组成。     

纤维强化钛基复合材料的横向拉伸性能

纤维增强钛基复合材料（TiMMCs）由于它的纵向比强度、刚度以及高温性能都比单一的钛合金有所改善，因而且用于航空发动机零件，扣压气机盘。这些企件在应用中既可产生轴向应力也可产生径向应力，因此，英国一家国防评价与研究机构的结构材料中心研究了四种TMMCh的横向技伸行为．所用钛合金基材是万一6AI－4y和IMI834（万一5．8周一4．ffin－3．SZr－0．7Nb－o．SMO－0．35St－0．06C），强化用的纤维采用徐碳的S江纤维（SMI140＋）和涂C八z大的SE纤维（SM1240）．由薄片曾焊工2制成板条，每个板条由6层～8层组成，再由权条制成…     

TiC颗粒增强钛基复合材料的形变断裂

通过对ＴｉＣ颗粒增强钛基复合材料断裂研究表明：ＴｉＣ颗粒的缺陷比例对复合材料的断裂裂纹扩展速率有较大影响。形状规则且无缺陷的粒子在受力的初期不易破断,可较大提高裂纹扩展所需。反之,易破碎的粒子则增加了裂纹尖端的扩展应力,提高了裂纹扩展速率。适当的热处理可提高裂纹扩展所需塑性功,从而在一定范围内改善复合材料塑性。     

Growth mechanism of reinforcements in in-situ synthesized (TiB TiC)/Ti composites

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｉｔａｎｉｕｍ ｂａｓｅｄｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ (ＴＭ Ｃｓ)ａｔｔｒａｃｔｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｏｗｉｎｇｔｏｔｈｅｉｒｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆｉｃｍｏｄｕｌｕｓ ,ｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆｉｃｓｔｒｅｎｇｔｈ ,ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｔｅｌｅｖａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｗｉｄｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆａｖｉａｔｉｏｎ ,ａｅｒｏｓｐａｃｅａｎｄａｕ ｔｏｍｏｂｉｌｅ[1,2 ] .Ｃｏｍｐａｒｅｄｗ…     

原位合成(TiB+TiC)/7715D钛基复合材料的超塑性

采用普通的熔炼方法,利用钛与B_4C之间的化学反应制备7715D钛基复合材料.将该复合材料热加工后得到具有网篮组织的TiC和TiB混合增强的钛基复合材料,在900～1 050 ℃、初始应变速率为10~(-2)～3×10~(-4) s~(-1)时采用材料试验仪测量该钛基复合材料的力学性能.结果表明:该复合材料的室温和高温力学性能均有提高.在1 000 ℃、应变速率为3×10~(-4)s~(-1)时,所得复合材料的最大伸长率为625%,其真应力-真应变曲线呈二次硬化现象,该复合材料超塑变形性能良好.计算所得表观激活能为359～473 kJ/mol;超塑变形过程中的动态再结晶是网篮钛基复合材料获得较高伸长率的重要原因;合适的应变速率能促使网篮钛基复合材料发生动态再结晶,而合适的温度则能在促进超塑变形的同时限制晶粒长大;动态再结晶和晶粒的长大使真应力-真应变曲线中出现二次硬化现象.     

原位合成TiC和TiB增强钛基复合材料的微观结构与力学性能

利用钛与Ｂ４Ｃ之间的自蔓延高温合成反应经普通的熔钐工艺原位合成制备了ＴｉＣ、ＴｉＢ增强的钛基复合材料。光学金相、ＥＰＭＡ、ＴＥＭ和Ｘ射线衍射的研究结果表明：存在匠两种不同形状的增强体,即短纤维状ＴｉＢ晶须和等轴、近似等轴状ＴｉＣ粒子。ＴｉＢ、Ｔｉ基体界面洁净,没有明显的界面反应,而ＴｉＣ、Ｔｉ基体界面有非化学配比的ＴｉＣ过度层存在。由于增强体承受载荷,基体合金晶粒细化以及高密度位错的存在,制备钛基     

Oxidation Behavior of In Situ-Synthesized (TiB+TiC)/Ti6242 Composites

The oxidation behaviors of TiB and TiC particle-reinforced, titanium-matrix composites (TMCs) were studied in air at 550–650°C, The oxidation kinetics follow approximately a parabolic rate law. The oxidation rates, which were lower than those of Ti6242, decrease gradually as oxidation proceeds. The oxide scales formed on TMCs were predominantly rutile and α-Al₂O₃. No B₂O₃ and other oxides were observed within the oxide scale. The in situ-synthesized TiB and TiC reinforcements can increase the oxidation resistance of TMCs. The oxide scales that formed exhibited excellent spallation resistance under all testing conditions. No scale cracking or spallation could be observed, implying that growth and thermal stresses generated during heating and cooling have been effectively released. The mechanisms of the decrease in oxidation rate and the improvement on spallation resistance are discussed based on microstructure studies.     

热压原位合成TiC-xNi复合材料的组织与性能

以钛粉、石墨、钼粉和镍粉为原料,热压原位合成TiC-xNi复合材料。研究碳钛比及镍含量对热压原位合成TiC-xNi复合材料的组织和力学性能的影响。用扫描电镜和X射线衍射仪对复合材料的组织和物相组成进行分析,测试复合材料的致密度、硬度和抗弯强度。结果表明,热压原位合成的碳化物颗粒比较细小,尺寸为0.5~4μm。碳钛比及镍含量对最终产物的相组成没有影响。随碳钛比的增大(从0.9增大到1.0),热压合成TiC-xNi复合材料的组织变得复杂,出现了亮环形组织、亮核/环形结构组织和灰核/环形结构组织,且碳化物颗粒和粘结相的边界平直化。随着镍含量的增加,复合材料的致密度、硬度和抗弯强度都有所降低,碳钛比对复合材料的致密度和硬度影响不大,但抗弯强度随碳钛比的增大明显减小。热压原位合成TiC-xNi复合材料的弯曲断口以沿晶断裂为主,40vol%TiC-Ni复合材料的断口中还出现了一些撕裂棱。     

原位合成多元增强钛基复合材料(TiB+TiC+Y2O3)/Ti

利用钛与B2O3、B4C和稀土钇之间的化学反应,采用真空非自耗电弧炉熔炼工艺,原位合成多元、多尺度、不同形状增强体增强的钛基复合材料--(TiB TiC Y2O3)/Ti.利用热力学机理分析了制备该种材料的可行性,通过X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜、电子探针和透射电镜分析了复合材料的物相组成、增强体的微观形貌和材料的显微组织.结果表明:复合材料的增强体为TiB、TiC和Y2O3;生成的增强体分布均匀;复合材料的晶粒非常细小;TiB为针状;TiC为等轴状和近似等轴状;Y2O3的形貌随着稀土Y含量的增加从近似等轴状粗化生长为树枝状;材料中存在较多纳米级的球状增强体;增强体TiB、TiC、Y2O3和钛基体界面干净,没有界面反应物存在.     

原位合成TiB/Ti基复合材料的氧化行为

研究了TiB/Ti基复合材料在550,600和650℃空气中的恒温氧化行为,分析了增强体TiB对钛基复合材料氧化动力学行为的影响,并用X射线衍射仪和配有能谱仪的扫描电子显微镜对氧化层表面的相组成、形貌以及氧化层剖面的显微结构进行了分析.结果表明:该复合材料的氧化动力学曲线主要为抛物线类型;TiB/Ti基复合材料的氧化层由金红石型的氧化物TiO2组成,没有发现B2O3的氧化物;增强体TiB能够提高钛基复合材料的抗氧化性,而且随着TiB增强体含量的增加,钛基复合材料的抗氧化性增加;这主要是因为TiB增强体促进了致密氧化膜的生成.     

原位合成（TiB＋TiC）／Ti6242基复合材料高温氧化行为

研究了（TiB＋TiC）／Ti6242基复合材料在550℃，600℃和650℃空气中恒温氧化行为。用X射线衍射仪（XRD）和配有能谱仪（EDS）的扫描电子显微镜（SEM）对氧化层表面的相组成、形貌以及氧化层剖面的显微结构进行了分析，并分析了各元素对钛基复合材料氧化动力学行为的影响。结果表明：（TiB＋TiC）／Ti6242基复合材料的氧化层由一系列薄层组成：增强体TiB提高抗氧化性优于TiC，加工可以提高其抗氧化性；氧化动力学曲线主要为抛物线类型。     

原位自生(TiC+TiB)/Ti6Al4V复合材料摩擦磨损性能研究

本文用原位反应法制备了不同TiC和TiB增强相含量的(TiC+TiB)/Ti6Al4V复合材料(简记为TMC),用HT-1000型摩擦磨损试验机研究了外加载荷对原位本文用原位反应法制备了不同TiC和TiB增强相含量的（TiC+TiB）/Ti6Al4V复合材料（简记为TMC）,用HT-1000型摩擦磨损试验机研究了外加载荷对原位（TiC+TiB）/Ti6Al4V复合材料干滑动摩擦磨损性能的影响,并利用扫描电镜及布鲁克三维形貌仪观察分析其磨损行为。结果显示,与Ti6Al4V基体相比,TiC+TiB增强相的生成提高了复合材料的耐磨性。对于含不同体积分数增强相的复合材料,随着外加载荷的增加,材料的磨损率和磨损深度增加,摩擦系数减小且在小范围内波动。在小负载下,磨损的表面覆盖有一些沟槽和少量磨屑;在大负载下,磨损的表面覆盖有一些浅沟槽和大量磨屑。磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损。随着负荷增加,碎屑的尺寸增加,磨损加剧。     

原位钛基复合材料激光焊接过程中TiB晶须增强体的微观结构演变

本研究采用Nd:YAG激光成功地对TiB晶须和La₂O₃颗粒混杂增强的原位钛基复合材料进行了焊接。利用金相观察、X-ray衍射、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等测试方法,研究了激光焊接过程中TiB的演变行为,探讨了激光焊接头中的物相组成,TiB的分布及形貌特征,及TiB(或La₂O₃)和基体之间的界面关系。研究结果表明,TiB依然存在于焊接接头中,未发现有害物相的形成。在接头熔化区和靠近焊接热源的热影响区中,TiB尺寸显著细化,重新分布于b柱状晶晶界形成新颖的网络状结构。而在远离熔合线的热影响区中,由于受焊接热输入影响小,仅有少量TiB晶须通过B原子的强化扩散而改变了尺寸大小。而靠近母材的TiB未有变化,保持着和母材中TiB相似的形貌特征。进一步的TEM研究证明,增强体和基体之间的界面干净,仍保持良好的界面结合关系,未发现任何不良界面反应的发生,这也表明在激光焊接过程中,增强体和钛基体之间的界面结构是比较稳定的。