5vol.%TiCp/近α钛基复合材料构件热成形及组织性能研究

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颗粒增强钛基复合材料具有比合金更好的高强高温性能,在航空航天领域的具有广泛的应用前景。但传统熔铸法制备的钛基复合材料具有强度高但室温塑性差的劣势,限制了其应用范围。通过热加工工艺可以调控组织形貌,进而改善复合材料的力学性能。硅元素被广泛用以改善钛合金及钛基复合材料的高温性能,但硅化物的热变形析出机制和对基体的力学性能的作用至今没有系统的研究。本论文通过对5vol.%TiCp/Ti复合材料进行降温锻造技术优化组织,通过热变形工艺研究不同变形温度区间硅化物的析出行为和组织演变,确立了钛基复合材料构件成形前锻坯制备的变形工艺参数,通过有限元数值模拟确定构件最终冲孔成形工艺参数,成功制备了5vol.%TiCp/Ti复合材料构件,分析了其组织和力学性能。对5vol.%TiCp/Ti复合材料进行降温多向锻造,降温多向锻造能够显著改变基体组织形貌和增强相尺寸及分布。锻造后组织由拉长的条状α相和等轴α相组成,晶粒直径约为20μm,TiCp晶粒直径约为23μm。经过β相区(1080-1120℃)进行热压缩变形后,等轴组织转变为细长的片层α相,TiCp无明显变化。此外,变形组织中发现(Ti,Zr)6Si3类型的硅化物,且随着变形温度增加和应变速率的降低而减少。热压缩变形过程中,主要发生β相的动态回复及和部分动态再结晶过程,应变速率的提高能够促进动态再结晶的发生。硅化物和片层组织在随后的快速冷却过程中形成。5vol.%TiCp/Ti的锻造复合材料经(α+β)相区(845-965℃)热压缩变形后,基体由等轴组织、片层组织、残余β相组成,TiCp无明显变化。此外,两相区热变形后组织中存在(Ti,Zr)6Si3类型的硅化物。随着温度降低、应变速率或应变量的增加,硅化物的析出量增加。通过TEM观察发现,热压缩变形后TiCp及α/β界面上存在大量硅化物,起到阻碍位错运动及再结晶晶界迁移的作用。两相区变形组织主要发生α相的动态回复和部分动态再结晶的程度。随变形温度升高和应变速率的降低,动态再结晶的趋势增加。采用Deform-3D软件对TiCp/Ti复合材料构件的冲孔过程进行模拟,通过改变变形工艺参数对冲孔过程中复合材料的损伤值、最大主应力、等效应变、等效应力和变形载荷进行分析,变形速率的增加和变形温度的降低会导致TiCp/Ti复合材料冲孔过程中的损伤值、最大主应力增加及变形载荷逐渐降低。TiCp/Ti复合材料构件组织为条状α相、等轴α相,少量残余β转变组织、硅化物及片状TiCp构成。硅化物和TiCp均匀弥散的分布晶界处,促进了基体的细化和变形过程中的再结晶过程,构件冲孔成形过程中再结晶过程遵循连续再结晶机制。TiCp/Ti复合材料构件的室温抗拉强度明显提高,主要原因是细晶强化和位错强化。TiCp/Ti复合材料构件的高温拉伸强度和塑性随着温度升高,分别降低和升高,主要原因是温度的升高加速了原子的扩散能力,TiCp和硅化物对基体和位错的阻碍作用大大减弱,位错和晶界运动活跃。
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