原位自生网状TiC增强TC4复合材料的组织与性能研究

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在非连续增强钛基复合材料(Discontinuous reinforced titanium matrix composites,DRTMCs)中,增强体的分布对复合材料的微观组织和力学性能有较大影响,当增强体呈网状分布时,复合材料兼具较高的强度与良好的室温塑性,极大地提高钛基复合材料的综合力学性能。本文首次以VC与球形TC4粉末为原料,通过低能球磨与真空热压烧结的工艺,原位制备得到网状TiC增强TC4复合材料,并对其进行固溶-时效处理和热挤压-退火处理,研究TiC/TC4复合材料的微观组织与力学性能,得到以下结果:以VC和球形TC4粉末为原料,在1050℃、1 h、30 MPa的热压烧结参数下,采用高通量热压烧结方法,一次性原位制备得到一批具有不同TiC含量(2%,4%,6%)和不同网状结构尺寸(40~80μm,100~140μm,160~200μm)的网状TiC增强TC4复合材料。研究发现,在TiC/TC4复合材料中,TiC呈网状分布在TC4基体颗粒周围,复合材料的基体组织较相同工艺下得到的TC4合金显著细化,复合材料的强度较TC4合金显著提高。随复合材料中TiC含量的增加,网状TiC的厚度增加,基体连通性下降,但基体组织无明显变化,TiC/TC4复合材料的强度略微升高但伸长率显著下降。随TC4粉末粒径减小,网状结构尺寸随之减小,基体组织逐渐细化,TiC/TC4复合材料的强度与塑性同时提高。TiC含量为2%且TC4粉末粒径为40~80μm时,材料综合性能最优,其屈服强度与抗拉强度分别达到946 MPa和1058 MPa,同时伸长率高达18.1%。复合材料较高的强度与伸长率主要归因于细晶强化、固溶强化、颗粒承载强化以及基体良好的连通性。对TC4粉末粒径为40~80μm的2%TiC/TC4复合材料(烧结态)进行固溶处理和时效处理,结果表明,固溶处理后,复合材料中TiC颗粒的尺寸和分布不变,复合材料中基体钛合金由初生α相和β转变组织构成,其中β转变组织中主要为马氏体。随固溶温度的提高,复合材料中初生α相的体积分数逐渐减少,β转变组织的体积分数逐渐增加。将不同温度固溶处理的复合材料样品在相同条件下时效处理后,随固溶温度的提高,强化效果先增后减,固溶温度为970℃时热处理强化效果最大。对970℃固溶处理的样品在不同的温度下进行时效处理,材料中的马氏体分解为弥散分布的α+β组织,随时效温度升高,复合材料中弥散的α+β组织逐渐粗化。时效温度为480℃时,TiC/TC4复合材料的时效强化效果最大,此时TiC/TC4复合材料的室温屈服强度和抗拉强度分别为1376 MPa和1495 MPa,较烧结态复合材料提升了45%和41%,但此时复合材料的伸长率仅为3.1%,较烧结态的18.1%急剧降低。对TC4粉末粒径为40~80μm的2%TiC/TC4复合材料(烧结态)进行热挤压和退火处理,结果表明,烧结态复合材料进行热挤压后,复合材料中的网状结构消失,基体组织由魏氏体组成,材料中出现了α晶粒的<0001>丝织构,材料的室温拉伸强度升高而塑性下降。挤压比更大时,TiC/TC4复合材料的室温强度也更大,16的挤压比可以对材料的起到最佳的强化效果。对挤压比为16的复合材料进行不同温度的退火处理,随着退火温度升高,700℃时,材料开始发生明显的再结晶,显微组织由细小等轴晶组成;退火温度为700~900℃时,再结晶晶粒随温度升高而长大;退火温度为1000℃时,材料的组织恢复为魏氏体。材料的强度随退火温度的提高先升后降,当退火温度为900℃时,复合材料的综合力学性能最佳,此时其屈服强度为1176 MPa,抗拉强度为1385 MPa,伸长率为9.2%。
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