原位自生鈦基復合材料的鑄造、組織和性能研究.pdf

1、鈦基復合材料（TMCs）具有高比強度、高比剛度和耐高溫、耐腐蝕等眾多優(yōu)異性能，在航空航天等領域具有廣闊的應用前景。精密鑄造是一種高效的液態(tài)近凈成形方法，航空航天眾多復雜鈦合金構件多采用精密鑄造工藝成形。然而對于鈦基復合材料的精密鑄造來說，隨著增強體的加入，鈦基復合材料的流動性急劇下降，充型能力變差，同時由于增強體的存在使復合材料澆注過程中流場、溫度場、應力場的分布和變化更加復雜，使鑄造缺陷、鑄件組織和性能更加難以掌控。本文以(TiB+T

2、iC)/Ti-6Al-4V復合材料為研究對象，針對鈦基復合材料的精密鑄造展開了一系列的基礎研究，系統(tǒng)地研究了 B4C添加量對鑄造用鈦基復合材料的組織和性能的影響、增強體的加入對鈦基復合材料流動性的影響，鈦基復合材料熔體的流動停止機制，鈦基復合材料的鑄造性能、鑄造工藝及組織和力學性能，主要研究結果如下：
　　1.利用原位自生法制備了(TiB+TiC)/Ti-6Al-4V復合材料，探索了B4C添加量對TMCs組織和性能的影響。研究結果

3、發(fā)現(xiàn)，TMCs通過添加B4C不但生成了TiB晶須和TiC顆粒，還可抑制Ti-6Al-4V粗大魏氏組織的形成。隨著B4C添加量的增加，改變了TMCs凝固結晶路徑，細化了TMCs中α相的層片間距，改變了TiB和TiC等增強體的分布、尺寸大小和形貌。TMCs的硬度、抗壓模量Ec和基體的彈性模量Em等力學性能的變化都是隨B4C的增加先急劇上升，隨后增加緩慢。在B4C添加量低于0.19 wt.%時，C和B對基體的組織和結構引起的細晶強化和固溶強化

4、對力學性能的提高起主導作用，具有較高的強化效率，鑄造用鈦基復合材料 B4C添加量應控制在0.19 wt.%到1.63 wt.%之間。
　　2.基于不同成分鈦基復合材料的流動性試驗，借助SEM等測試手段和圖像分析技術，結合熔液流動停止理論和Flemings方程，分析了鈦基復合材料流動性的影響規(guī)律。研究結果發(fā)現(xiàn) TMCs流動性并非隨增強體含量增加而單調減小，由于B4C的添加，改變了TMCs的凝固結晶路徑，使TMCs的凝固結晶路徑與寬結

5、晶溫度范圍的合金類似，這是造成TMCs流動性下降的主要原因，而TMCs成分與共晶點遠近的差異造成了TMCs流動性的起伏。
　　3.借助ProCAST有限元模擬軟件，通過對鈦基復合材料精密鑄造過程的充型、凝固及冷卻過程的計算模擬，研究了不同澆鑄模型、澆注溫度、離心力對鈦基復合材料鑄造過程中的流場、溫度場的影響，預測了鑄造缺陷的分布，優(yōu)化了鈦基復合材料精密鑄造工藝。優(yōu)化后 TMCs精密鑄造工藝為：五澆道底注式澆鑄，冒口設置于平行離心力

6、方向，澆注溫度為液相線以上50℃，離心轉速300（轉/分）。利用模擬結果進行實體澆鑄試驗，獲得了外形完整、筒體僅有少量縮松的鈦基復合材料鑄件。鑄件筒體縮松的分布與模擬結果相符，經(jīng)熱等靜壓（HIP）處理后縮松得以消除，獲得了合格的航天用TMCs精密鑄件。
　　4.通過對TMCs精密鑄造組織結構的表征分析，發(fā)現(xiàn)由于B4C的加入，細化了原始β晶粒，減少了α相間的小角度晶界，使α相取向增多，α晶粒（集束）尺寸減小，α板條趨向等軸化。通過對

7、TMCs組織轉變的計算分析，發(fā)現(xiàn)當α相以β相作為形核質點析出時，臨界晶核只有超過0.243μm才可以析出，而此時最小長徑比Rmin為14。然而當α相以TiB作為形核質點析出時，形核界面能增加了14%，而彈性應變能降到了基體合金的四分之三，起始臨界晶核可以減小到0.1μm，而此時晶核最小長徑比Rmin為3。因此TMCs中α相趨向以TiB作為形核質點，從而以小尺寸的臨界晶核析出，以小長徑比類似等軸狀的形貌長大。
　　5.基于第二相強化

8、、細晶強化和固溶強化等多種強化機制模型，結合鈦基復合材料組織結構特征，計算分析了鈦基復合材料的室溫屈服強度，利用模擬計算定量解析了TMCs多元強化效果。發(fā)現(xiàn)TMCs室溫的屈服強度的增加主要取決于細晶強化和固溶強化。通過對精密鑄造TMCs的斷裂韌性分析，發(fā)現(xiàn) B4C的加入引起 TMCs斷裂韌性的急劇下降。Ti-6Al-4V斷裂時，其裂紋主要沿著晶界和相界擴展，但同時造成不同位向上?集束的變形和斷裂，增加了裂紋擴展的難度，從而使斷裂韌性比較

9、高。TMCs的裂紋擴展主要沿著晶界上的增強相擴展，因此造成了其相應的斷口橫截面出現(xiàn)典型的沿晶斷裂和解離斷裂特點，裂紋擴展時裂紋前沿未發(fā)生明顯的塑性變形，從而使其斷裂韌性較低。
　　6.利用SEM和TEM測試手段，結合TMCs斷口形貌分析，提出了TMCs的斷裂機制。發(fā)現(xiàn)Ti-6Al-4V和TMCs斷裂都是通過微孔匯集造成的，但微孔的形成和長大方式的不同造成兩者塑性的差異。在Ti-6Al-4V中，微孔大都分布在晶界和相界處，微孔在匯集