【摘 要】
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钛基复合材料继承了基体钛合金的高比强度、高比模量、高耐腐蚀性等优点,同时还具有更高的硬度和强度,更优异的耐磨损性能、热稳定性以及高温蠕变特性等,受到了众多研究人员的关注,20世纪90年代中期开始快速发展,在航空航天、先进武器系统及汽车制造等领域具有广泛的应用前景。但发展至今仍然存在成本过高、制备工艺过程难把控等缺点,限制了其大规模的工程化应用。本文使用低成本的TiH2粉末代替纯钛粉,并添加B4C原
【基金项目】
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广东省重大科技攻关项目（2019B010942001）； 广东省自然科学基金（2015A030312003）；
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钛基复合材料继承了基体钛合金的高比强度、高比模量、高耐腐蚀性等优点,同时还具有更高的硬度和强度,更优异的耐磨损性能、热稳定性以及高温蠕变特性等,受到了众多研究人员的关注,20世纪90年代中期开始快速发展,在航空航天、先进武器系统及汽车制造等领域具有广泛的应用前景。但发展至今仍然存在成本过高、制备工艺过程难把控等缺点,限制了其大规模的工程化应用。本文使用低成本的TiH2粉末代替纯钛粉,并添加B4C原位生成TiB和TiC两种增强相,通过真空无压烧结结合热挤压工艺制备出具有优异力学性能的（TiB+TiC）/Ti复合材料,并研究了不同工艺参数和不同增强相比例对复合材料的组织与性能的影响,主要结果如下:TiH2和B4C的混合粉末在烧结成形过程中同时进行着TiH2的脱氢反应和Ti-B4C的原位反应,在本研究所制定的最低烧结温度1150℃、最短保温时间2 h的工艺参数下,粉末原料的两种反应都基本完成。真空烧结制备出的（TiB+TiC）/Ti复合材料,微观组织由纤维状TiB、颗粒状TiC以及基体等轴晶α-Ti组成,增强相的存在有效抑制了等轴晶的长大并促进再结晶,细化组织晶粒。但同时增强相又会阻碍样品的烧结致密化过程,TiH2+2%B4C烧结态复合材料在1150℃/2 h时致密度为93.36%,随着烧结温度提高或保温时间延长,孔洞数量明显减少且孔洞形貌向圆孔转变,1350℃/2 h时致密度提高到97.85%。组织中原位自生的微米级以及部分纳米级增强相,能显著提高复合材料的硬度和强度,TiH2+4%B4C复合材料屈服强度为624 MPa、抗拉强度为678 MPa,相较于同工艺参数的纯钛基体,分别提高了70.0%和46.1%,细晶强化为最主要的强化机制。通过热挤压工艺进一步强化复合材料,基本消除了组织中的孔洞缺陷,所有样品均获得大于99.5%的相对密度。微观组织同样由等轴状的α-Ti基体、增强相TiB纤维和TiC颗粒组成,基体等轴晶尺寸进一步细化,增强相分布也更为均匀,并表现出与基体更为可靠的界面结合,挤压态组织出现一定程度的择优取向,TiB纤维转变为平行于挤压方向分布。挤压态复合材料表现出更优异的力学性能,具有更高的硬度和良好的强塑性匹配,TiH2+4%B4C挤压态复合材料维氏硬度310 HV0.3,屈服强度683 MPa,抗拉强度851 MPa,同时断后伸长率可达15.1%,主要强化机制为增强相的载荷传递强化。原位自生增强相TiB和TiC作为硬质陶瓷颗粒,还能显著提高复合材料的耐磨性。特别是在油润滑摩擦条件下,TiH2+4%B4C磨损率仅为0.99×10-12mm~3·N-1·m-1,是纯钛基体的七千分之一;在干摩擦下,TiH2+4%B4C磨损率相较于基体也降低了60.7%。油润滑摩擦的磨损机制主要为磨粒磨损,而干摩擦时表现为包含粘着磨损、磨粒磨损、氧化磨损的混合磨损。
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