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本文为了进一步提高钛基复合材料的室温和高温综合性能,设计出两级网状结构钛基复合材料。以Ti6Al4V-Ti B2-Si粉末为原料,采用低能球磨和反应热压烧结相结合的技术,以及固溶析出方式成功制备了系列两级网状结构(Ti5Si3+Ti Bw)/Ti6Al4V复合材料。采用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射分析技术(EBSD)对烧结态、热处理态、蠕变和氧化后的复合材料物相、组织特点以及断口形貌进行分析;采用透射电镜(TEM)对烧结态复合材料的微观组织及其经过热处理和加速蠕变后呈现的组织演变进行表征与分析。测试了烧结态及热处理态复合材料的室温和高温力学性能,分析了热处理对复合材料组织和性能的影响机制。测试了烧结态复合材料的高温抗蠕变及抗氧化性能,分析了抗蠕变机制及抗氧化机理。烧结态(Ti5Si3+Ti Bw)/Ti6Al4V复合材料微观组织观察表明,Ti Bw增强相分布在Ti6Al4V原始颗粒周围形成一级网状结构,Ti5Si3增强相分布在β-Ti相内,在α-Ti的周围形成二级网状结构。Ti5Si3的形成经过原位自生、高温固溶、脱溶析出三个过程。在热压烧结过程中,Si单质颗粒会发生溶解而后Si元素扩散进入基体内。同时,Ti与Si原位反应在Ti基体周围形成的硅化物经1000 oC以上烧结后也会发生溶解。烧结温度高于1200 oC时,元素扩散速率加快,Si元素完全回溶进入高温β-Ti基体内。炉冷降温过程中,Si在β-Ti内的溶解度降低以及α-Ti从β-Ti中析出,导致Ti5Si3在基体内脱溶析出。调控烧结参数可调节Ti5Si3的分布。随着烧结温度的提高和保温时间的延长,分布在Ti Bw周围的Ti5Si3含量减少,而分布在β-Ti相的Ti5Si3含量增加。调控分布在一级网状处的Ti Bw增强相含量可调节Ti5Si3的分布。随着Ti Bw含量的增加,其周围的Ti5Si3含量随之增加。烧结态复合材料室温和高温拉伸性能测试表明,(4vol.%Ti5Si3+3.4vol.%Ti Bw)/Ti6Al4V复合材料的室温抗拉强度和延伸率分别达到了1180 MPa和5.0%,550oC、600oC和650oC高温抗拉强度分别达到了770 MPa、610 MPa和510 MPa。以600oC强度为例,较Ti6Al4V合金和5vol%Ti Bw/Ti6Al4V复合材料的抗拉强度分别提高了56%和11%。分布在一级网状区域的部分Ti B晶须发生断裂,裂纹沿一级网状界面扩展,纳米级Ti5Si3颗粒因尺寸较小而在拉伸过程中没有断裂。一级网状结构强化复合材料的机制为细晶强化和增强体载荷传递强化,二级网状结构的强化机制为固溶强化和增强体载荷传递强化。经过计算发现,细晶强化和固溶强化对于复合材料强度提高贡献较大。同时,两级网状结构能够有效地提高复合材料的变形协调性。热处理可调控Ti5Si3增强相的分布和形貌。随着固溶温度的升高,分布在Ti Bw周围的Ti5Si3颗粒含量降低。随着时效温度的升高,Ti5Si3颗粒的含量增加,此外,Ti5Si3颗粒的形貌由针状变为椭圆状。烧结态(Ti5Si3+Ti Bw)/Ti6Al4V复合材料中存在的Ti5Si3颗粒经1200 oC固溶处理后发生了溶解。固溶处理后继续时效,更加细小的Ti5Si3颗粒在基体内析出。(4vol.%Ti5Si3+3.4vol.%Ti Bw)/Ti6Al4V复合材料经过1200 oC/40 mim/WQ+600 oC/5 h/AC热处理后,600 oC高温抗拉强度达到了880 MPa。与Ti6Al4V合金相比,两级网状(4vol.%Ti5Si3+3.4vol.%Ti Bw)/Ti6Al4V复合材料的抗蠕变性能大幅度提高。相同条件下,蠕变速率甚至可降低一个数量级,蠕变断裂时间最大可提高20倍。复合材料优异的抗蠕变性能归因于两级结构和两种尺寸增强相。微米级Ti Bw分布在Ti6Al4V基体周围(一级网状界面处)主要通过阻碍晶界滑移,而纳米级Ti5Si3颗粒主要通过阻碍相界滑移来提高蠕变抗力。蠕变变形过程中,高温和应力促进β-Ti相内Si元素扩散至α/β界面处,尺寸细小的Ti5Si3颗粒析出,进一步提高了复合材料的抗蠕变性能。(4vol.%Ti5Si3+3.4vol.%Ti Bw)/Ti6Al4V复合材料在700 oC和800 oC条件下的抗氧化性能优于Ti6Al4V合金的,而(8vol.%Ti5Si3+3.4vol.%Ti Bw)/Ti6Al4V复合材料经800 oC氧化100 h后,氧化层仍保持完好未脱落,其具有最高的氧化抗力。复合材料的抗氧化性能大幅度提高来源于Ti O2颗粒尺寸的细化,薄且致密的Al2O3和Si O2混合层以及增强相钉扎氧化层。随着Ti5Si3含量的增加,复合材料的氧化速率降低。然而,随着Ti Bw含量的增加,复合材料的抗氧化性能降低。第一性原理计算结果表明,O原子倾向于吸附在Ti表面上,但难以吸附在β-Ti/Ti5Si3界面上,Ti5Si3降低了O原子的吸附性。Ti原子与Si原子间作用较强,有助于提高复合材料的抗氧化性能。