(TiBw+(Ti,Zr)5Si3)/TA15复合材料蠕变及持久性能研究

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钛基复合材料具有较高的比强度、比刚度和较低的密度等优良性能,因而在航空航天领域得到广泛的应用,其服役温度一般很高,在高温下蠕变失效是材料失效及断裂的主要影响因素之一,因此研究材料的高温蠕变及持久性能对于材料高温下安全服役具有重要的意义。本文采用粉末冶金方法结合原位自生技术制备了烧结态(TiBw+(Ti,Zr)5Si3)/TA15复合材料,对烧结态材料施加总变形量60%的热轧制工艺得到轧制态材料,系统研究了复合材料高温蠕变及持久性能。并购得TA15合金进行性能对比。测试了材料高温蠕变及持久性能,对比了轧制前后复合材料性能变化,分析了轧制态材料高温蠕变失效过程及蠕变过程变形机制;测试了轧制态复合材料经不同热处理后蠕变性能,分析了热处理制度对轧制态复合材料蠕变及持久性能的影响规律。烧结态复合材料基体组织为近等轴状或短棒状组织,基体中TiBw呈网状分布,Si元素以(Ti,Zr)5Si3颗粒在α/β相界面或β相中析出,轧制后基体组织转变为片层状组织,部分晶须发生断裂和转向,提高了基体的连通程度,硅化物数量增多分布更加均匀。拉伸试验结果表明轧制过程因晶粒细化、加工硬化及基体连通程度的改善提高了复合材料的强度和塑性;高温弹性模量测试表明轧制过程改变了基体中增强体分布状态,从而提高了材料的高温弹性模量;热膨胀系数测试表明轧制过程对材料热膨胀系数影响不大。高温蠕变测试表明,650℃、225MPa条件下轧制过程通过改变基体组织、TiBw及硅化物分布使材料蠕变断裂寿命提高了15.85%;与TA15合金相比,轧制态复合材料蠕变断裂寿命提高30-60倍,材料变形量显著降低;通过稳态蠕变本构方程计算得出轧制态复合材料600℃、650℃、700℃条件下的应力指数n分别为5.21、5.34和6.07,蠕变过程由位错攀移控制,蠕变激活能Q为351.05kJ·mol-1,其抗蠕变性能优于TA15合金。建立了轧制态复合材料650℃蠕变断裂寿命预测方程,对持久性能进行对比,发现在650℃条件下,当蠕变断裂寿命为50h时,轧制态材料承受的应力大小是TA15合金的3.2倍。微观分析表明,蠕变过程中TiBw与基体界面处为主要的裂纹扩展源,部分晶须发生断裂。硅化物的析出分布有效阻碍了位错运动,显著改善材料的抗蠕变性能。微观组织分析表明,轧制态复合材料经两相区固溶时效处理后组织向类似烧结态组织转变,基体初生α相逐渐分解。在固溶过程中硅化物重新回溶,并在时效时析出,随时效温度升高尺寸增加,基体针状α+β相尺寸增加。当时间增加至8h时发生“过时效”;高温蠕变测试表明随固溶温度升高和固溶时间的增加,材料持久性能降低。由于时效过程对硅化物析出及晶界数量减少有利,提高时效温度能提高材料持久性能,但当时效时间提高至8h时发生“过时效”导致持久性能降低。
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