【摘 要】
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原位自生钛基复合材料较传统钛合金有着更高的刚度和强度、更加优异的耐磨性和耐腐蚀性能,广泛应用于航空航天等领域。激光熔化沉积可以在构件制造过程中实现材料组分的调配并可实现快速成型,加快了复合材料的设计过程,非常适合于制备复合材料。本文使用行星球磨机制备了Ti6Al4V-B4C复合粉末,通过激光熔化沉积分别制备了（TiB+TiC）/Ti复合材料和Ti6Al4V钛合金以作对比,研究了增强相对复合材料的显
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原位自生钛基复合材料较传统钛合金有着更高的刚度和强度、更加优异的耐磨性和耐腐蚀性能,广泛应用于航空航天等领域。激光熔化沉积可以在构件制造过程中实现材料组分的调配并可实现快速成型,加快了复合材料的设计过程,非常适合于制备复合材料。本文使用行星球磨机制备了Ti6Al4V-B4C复合粉末,通过激光熔化沉积分别制备了（TiB+TiC）/Ti复合材料和Ti6Al4V钛合金以作对比,研究了增强相对复合材料的显微组织、力学性能以及耐腐蚀性能的影响,并研究了热处理对复合材料的室温和高温拉伸性能的影响。首先,对激光熔化沉积（TiB+TiC）/Ti复合材料的显微组织进行研究。XRD结果表明,复合材料中主要是由α-Ti、β-Ti、Ti B以及Ti C这四种相所组成。Ti B和Ti C分别以晶须状和等轴状均匀分布在基体中,Ti B和Ti C的生成细化了β-Ti晶粒和α-Ti晶粒,减少了沉积方向上因外延生长生成跨越多个沉积层的柱状晶,并使增强相附近的α-Ti晶粒趋近于等轴状。β-Ti晶粒细化是因为B和C在固液界面聚集而产生成分过冷并使固液界面失稳,从而促使β-Ti形核;α-Ti能以Ti B作为形核位点形核长大,因此出现等轴化的趋势。增强相的引入也降低了复合材料的织构强度,并促进非伯格斯位向关系α-Ti的析出,进而弱化了α-Ti的织构,并使α-Ti变体的种类增加。其次,对激光熔化沉积（TiB+TiC）/Ti复合材料的力学性能以及耐腐蚀性能进行了研究。沉积态（TiB+TiC）/Ti在扫描方向和沉积方向上的显微硬度分别为414.0 HV0.5和415.0 HV0.5,较沉积态Ti6Al4V在扫描方向上提升了20%,在沉积方向上提升了31%。复合材料在沉积方向上的压缩强度由1421.4 MPa提高至1865.4 MPa,由于在压缩过程增强相与基体组织变形不协调,压缩率由23.7%降低至17.5%。Ti B和Ti C的加入显著提高了复合材料的室温和高温抗拉强度,并消除了各向异性。复合材料在扫描方向和沉积方向上的室温抗拉强度分别达到了1126.1 MPa和1138.5 MPa,较沉积态Ti6Al4V分别提高了15%和24%,但是断后伸长率均降低了50%,复合材料室温拉伸的断裂方式为解理断裂,断口由大量的解理台阶和少量韧窝所组成。复合材料沉积方向上在600℃下的高温抗拉强度达到了506.4 MPa,较沉积态Ti6Al4V提高了24%,断后伸长率为14.1%,复合材料高温拉伸时的断裂方式为准解理断裂,断口中解理台阶数量减少,韧窝数量明显增多。（TiB+TiC）/Ti复合材料的主要强化机制为:细晶强化、增强相的承载以及固溶强化。Ti B和Ti C在电化学腐蚀过程中可作为微阴极,加快钝化膜的生成,沉积态（TiB+TiC）/Ti较沉积态Ti6Al4V具有更高的自腐蚀电位,更低的自腐蚀电流密度,表现出更好的耐腐蚀性能。最后,对不同的热处理工艺参数对复合材料的显微组织以及沉积方向上拉伸性能的影响进行了研究。950℃下保温2小时空冷条件下,试样的显微组织为等轴组织,室温抗拉强度为1109.6 MPa,断后伸长率由4.0%提升至5.9%,在600℃下的高温抗拉强度由506.4 MPa提高到536.2 MPa,断后伸长率由14.1%提高至18.6%,室温和高温塑性明显提高;1050℃下保温2小时空冷条件下,等轴状α-Ti与板条状α-Ti的尺寸明显增大,并出现细针状的α-Ti,室温抗拉强度提升至1217.1 MPa,断后伸长率为2.6%,在600℃下的高温抗拉强度达到了551.7 MPa,断后伸长率为14.5%。
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