原位自生(TiB+La2O3)/TC4钛基复合材料的微观组织和力学性能

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钛基复合材料因综合性能优于钛合金而具有更广阔的发展前景。其中,原位合成TiB和稀土氧化物增强的钛基复合材料因高温力学性能优异已有较多研究。然而在材料制备过程中原位反应机理以及稀土氧化物增强体的形成机制尚待进一步讨论。本文针对原位自生(TiB+La2O3)/TC4钛基复合材料,研究了增强体添加方式对材料微观组织和力学性能的影响规律,为原位自生反应的机理性研究与工艺优化提供理论支持。本文分别通过Ti+LaB6中间合金和Ti+B+La单质两种增强体添加方式,利用真空自耗电弧熔炼-热加工-热处理工艺,原位合成了不同增强体含量的(TiB+La2O3)/TC4钛基复合材料。复合材料的基体组织为网篮组织,TiB增强体为短纤维状,La2O3则有两种形貌:短纤维状初生La2O3和细小弥散的二次析出La2O3。相比而言,Ti-B-La体系因La单质熔点低、活性高,在熔炼时易优先氧化而形成较多初生La2O3,并因La2O3具有A-M2O3结构而生长为高长径比的短纤维状;Ti-LaB6体系中的La元素则大部分在在钛基体α/β转变时析出,并夺取基体中的氧形成较多二次析出La2O3。随着增强体含量的增多,增强体的尺寸相应增加,TiB的长径比随B含量的提高而略有下降,而La2O3的长径比随La含量的提高而增加。热力学计算的结果表明,基体TC4中的合金化元素Al可促进Ti-B-La体系增强体的形核从而细化增强体尺寸,因此,Ti-B-La体系材料中的TiB和La2O3长径比高于Ti-LaB6体系材料,同时未形成异常粗大的初生La2O3。材料在室温和高温下的断裂方式均为韧性断裂。随着增强体含量的提高,复合材料的强度上升而塑性下降。随着拉伸温度的上升,复合材料的抗拉强度逐渐下降,当拉伸温度达到500℃时,复合材料的抗拉强度显著下降。当增强体含量与拉伸温度相同时,由于Ti-B-La体系材料中TiB和初生La2O3增强体的平均长径比要高于Ti-LaB6体系中增强体的平均长径比,因而在室温与高温拉伸时Ti-B-La体系材料的增强体具有更好的承载作用,因此表现出更高的室温和高温抗拉强度。
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