【摘 要】
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轻质的Ti2AlNb合金被认为是航空航天发动机减重的理想高温结构材料,在600～750℃有望取代镍基高温合金,但高温力学性能不足限制了该合金的进一步应用。鉴于此,本文以提高Ti2AlNb合金的力学性能为目的,采用球磨和放电等离子烧结制备了原位自生（Ti,Nb）B/Ti2AlNb复合材料,利用SEM、TEM、EBSD、力学性能测试等手段系统研究了原始粉末状态、烧结工艺、增强体含量及锻造变形对复合材料
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轻质的Ti2AlNb合金被认为是航空航天发动机减重的理想高温结构材料,在600～750℃有望取代镍基高温合金,但高温力学性能不足限制了该合金的进一步应用。鉴于此,本文以提高Ti2AlNb合金的力学性能为目的,采用球磨和放电等离子烧结制备了原位自生（Ti,Nb）B/Ti2AlNb复合材料,利用SEM、TEM、EBSD、力学性能测试等手段系统研究了原始粉末状态、烧结工艺、增强体含量及锻造变形对复合材料组织和力学性能的影响规律,分析了Ti2AlNb基体相与（Ti,Nb）B增强体界面的微观结构及结合性质,阐明了（Ti,Nb）B增强体的合成机理和脆性α2相（Ti3Al化合物,P63/mmc）在原始颗粒边界的择优析出机理,揭示了锻造态复合材料的强韧化机理。本文采用元素粉末法和预合金粉末法两种方法制备出了原位自生（Ti,Nb）B/Ti2AlNb复合材料。研究结果表明,采用预合金粉末法,即以LaB6和Ti2AlNb粉末为原料,采用250 rpm/8 h机械球磨和1250℃/20 min/45 MPa的烧结工艺制备的复合材料具有最佳的力学性能。采用此工艺制备的3.2 vol%（Ti,Nb）B/Ti2AlNb复合材料25℃和650℃的屈服强度较基体分别提高11.8%和9.2%。复合材料中原位生成的增强体（Ti,Nb）B具有B27结构,其通过LaB6和Ti-Al-Nb（O）化合物/固溶体之间的化学反应生成,两者反应的起始温度在850～1030℃之间。烧结过程中出现的Nb元素富集区导致了过渡相（Ti,Nb）3B2和Bf-（Ti,Nb）B的生成。复合材料界面的HRTEM分析结果表明,α2相、B2相（Ti-Al-Nb固溶体,Pm3m）及O相（Ti2AlNb化合物,Cmcm）三个基体相与（Ti,Nb）B增强体之间存在择优的位向关系,可以表示为:[1120]α2//[010]（Ti,Nb）B和（1100）α2//（100）（Ti,Nb）B;[111]B2//[0 1 0]（Ti,Nb）B 和（112）B2//（1 00）（Ti,Nb）B;[110]o//[010]（Ti,Nb）B 和（11 0）o//（1 00）（Ti,Nb）B。（Ti,Nb）B与基体相形成的（1100）α2/（100）（Ti.Nb）B、（112）B2/（100）（Ti,Nb）B、（110）o/（100）（Ti,Nb）B界面均为共格界面。第一性原理计算结果表明这三种界面的结合强度（粘附功）依次为（112）B2/（100）（Ti,Nb）B（5.86 J/m2）<（110）O/（100）（Ti,Nb）B（6.08 J/m2）<（1100）α2/（100）（Ti,Nb）B（6.41 J/m2）。三种界面的结合强度相差较小,其差异主要由界面区晶格畸变程度的不同引起。在这三个界面上,增强体一侧的B原子与基体相一侧的Ti、Al、Nb原子通过共价键实现化学结合。对元素粉末和预合金粉末制备的复合材料组织和力学性能的研究发现,相比于元素粉末,预合金粉末制备的复合材料中氧含量较低,从而抑制了脆性α2相的过量析出,且增强体在空间呈现三维准连续网状分布,因而具有更加优异的拉伸性能。进而,以预合金粉末制备的复合材料为研究对象,研究了烧结工艺对复合材料的组织及力学性能的影响。结果表明,烧结工艺主要通过改变原始颗粒边界（PPBs）区的组织来影响力学性能。在避免PPBs区内脆性相连续分布的前提下,提高（Ti,Nb）B的长径比并降低其尺寸有助于复合材料获得更加优异的力学性能。通过对PPBs区微观组织的进一步分析发现,（Ti,Nb）B原位生成导致的α2相稳定元素富集和（Ti,Nb）B对α2相异质形核的促进作用引起了脆性α2相在PPBs区的择优析出,从而导致了 PPBs区高温拉伸时过早失效。通过在B2单相区锻造及随后的B2+O两相区退火可以抑制α2相在PPBs的择优析出、减小PPBs区长度方向与径向的夹角、促进（Ti,Nb）B短纤维沿径向的定向排列,避免了 PPBs区在高温沿径向拉伸时过早的失效,从而提高了复合材料的力学性能。锻造态3.2 vol%（Ti,Nb）B/Ti2AlNb复合材料650℃和750℃抗拉强度较烧结态分别提高24.7和29.5%。锻造后复合材料中O相形成[100]o//压缩方向的纤维织构,（Ti,Nb）B短纤维形成[010]（Ti,Nb）B//径向的纤维织构。组织的各向异性引起了复合材料力学性能的各向异性。通过定量化分析得出锻造态复合材料的强化机理按强弱依次为基体织构强化>基体组织细化强化>（Ti,Nb）B织构强化。
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