热加工对原位自生钛基复合材料组织和力学性能影响的研究

论文摘要

近年来,具有高比强、高比模的钛基复合材料引起人们广泛关注,尤其是原位自生钛基复合材料。颗粒或纤维增强钛基复合材料的力学性能除了与添加粒子的性质、尺寸、体积分数、粒子间距以及粒子与基体间的界面状态等因素有关之外,基体的状态、显微组织也有一定的贡献,可以通过控制加工工艺措施来改变基体组织,从而获得适宜的基体显微组织,提高其性能。但是,随着增强相的加入,无论是纤维增强还是颗粒增强钛基复合材料,其组织变化与控制与基体合金相比变得更加困难。因此,研究原位自生增强体对钛基复合材料热加工工艺的影响及热加工过程中钛基复合材料的组织演变规律并在此基础上优化其性能是高性能钛基复合材料开发的主要研究内容之一。目前,在原位自生钛基复合材料体系中,选用较多的是原位自生TiC与TiB体系。本研究针对这一问题,首先,利用原位自生方法,制备出了具有不同增强体含量的原位自生TiC或（TiB+TiC）/Ti-1100复合材料。并运用光学显微镜、X射线衍射仪、透射电镜分析原位自生钛基复合材料的物相组成、微观组织、增强体的形态与分布;然后,用金相法测定了不同增强体含量的复合材料的β转变温度,分析了增强体种类、含量对钛基复合材料β转变温度的影响及作用机制;此外,用等温压缩的方法研究了原位自生（TiB+TiC）或TiC/Ti-1100复合材料的热变形性能;并对原位自生（TiB+TiC）或TiC/Ti-1100复合材料进行了不同的热加工,研究了不同工艺热加工时其组织演变的规律;测试了复合材料铸态、常规锻造以及不同工艺锻造后的室温和高温力学性能,分析了锻造对原位自生钛基复合材料力学性能的影响机制。本文的研究为今后原位自生钛基复合材料热加工工艺参数选择、组织控制和性能优化提供了理论依据和实用途径。主要研究结果如下:在所制备的原位自生（TiB+TiC）或TiC/ Ti-1100复合材料中,增强体TiB、TiC分布均匀,与基体界面洁净,没有明显反应层存在。TiB呈针状,TiC呈颗粒状。原位自生（TiB+TiC）或TiC/ Ti-1100复合材料的β转变温度与基体合金相比有了明显的提高,β转变温度的升高主要是由于复合材料制备时C在基体合金中的固溶引起的。C元素的固溶以及增强体的加入造成原位自生（TiB+TiC）或TiC/ Ti-1100复合材料热加工性能的改变。与基体合金相比,复合材料适宜的加工温度升高了约100℃,同时扩大了α+β两相区,也即扩大了钛基复合材料在α+β两相区热加工的加工窗口,这对钛基复合材料的热加工是有利的。在1000℃到1150℃温度区间内,原位自生（TiB+TiC）或TiC/ Ti-1100复合材料的热变形行为发生明显改变:随着温度的升高,复合材料的变形抗力迅速降低,塑性变形表观激活能急剧减小。其热变形行为的改变是由于基体中α相与β相体积分数的变

论文目录

• 第一章 结论
• 1.1 引言
• 1.2 原位自生钛基复合材料基体与增强体的选择
• 1.2.1 基体的选择
• 1.2.2 增强体的选择
• 1.3 钛基复合材料的热加工
• 1.3.1 钛基复合材料基体的热变形性能
• 1.3.1.1 在β区的热变形
• 1.3.1.2 在（α+β）区的热变形
• 1.3.2 钛合金的组织加工图
• 1.4 热加工对钛基复合材料组织和性能的影响
• 1.4.1 热加工对钛基复合材料基体组织的影响
• 1.4.2 热加工对钛基复合材料基体性能的影响
• 1.5 TMCs 的力学性能
• 1.5.1 TMCs 的室温拉伸性能
• 1.5.2 TMCs 的强化机制
• 1.6 本研究工作的内容及意义
• 参考文献
• 第二章 材料制备及增强体对原位自生钛基复合材料基体β转变温度的影响
• 2.1 引言
• 2.2 材料的制备
• 2.2.1 增强体含量与成分计算
• 2.2.2 材料的制备过程
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 物相分析
• 2.3.2 光学金相及透射显微分析
• 2.4 复合材料中增强体的形态与分布
• 2.4.1 原位自生TiC 或（TiB+TiC）/Ti-1100 复合材料的相分析
• 2.4.2 原位自生TiC 和TiB 的形貌与分布
• 2.5 增强体的加入对复合材料基体的β转变温度的影响
• 2.5.1 金相法测定相变点实验方法及原理
• 2.5.2 （TiB+TiC）/Ti-1100 和TiC/Ti-Ti-1100 复合材料基体β转变温度
• 2.5.3 （TiB+TiC）/Ti-1100 和TiC/Ti-Ti-1100 复合材料β转变温度分析
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 原位自生 TiC 和（TiB+TiC）/Ti-1100复合材料的高温变形行为
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 等温压缩热模拟分析
• 3.2.2 光学金相以及透射显微组织分析
• 3.3 复合材料等温压缩变形行为
• 3.3.1 基体合金的等温压缩变形行为
• 3.3.2 TiC/Ti-1100 复合材料等温压缩变形行为
• 3.3.3 （TiB+TiC）/Ti-1100 复合材料等温压缩变形行为
• 3.4 复合材料高温变形影响因素分析
• 3.4.1 复合材料基体高温变形
• 3.4.2 增强体对基体高温变形的影响
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 锻造对原位自生 TiC 或（TiB+TiC）/Ti-1100 复合材料组织的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 复合材料的锻造
• 4.2.2 光学金相及透射显微分析
• 4.3 复合材料热变形前的组织
• 4.4 锻造对复合材料组织的影响
• 4.4.1 变形温度对复合材料组织的影响
• 4.4.2 变形量对复合材料组织的影响
• 4.4.3 冷却速度对复合材料组织的影响
• 4.5 复合材料在不同工艺热变形下组织演变规律
• 4.5.1 在单相的β状态下的变形
• 4.5.2 在（α＋β）相区的变形
• 4.5.3 在β区开始变形在α＋β区结束的变形
• 4.5.4 在单相的α状态下变形
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 锻造对原位自生 TiC 或（TiB+TiC）/Ti-1100 复合材料的室温力学性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 复合材料的锻造
• 5.2.2 光学金相显微分析
• 5.2.3 硬度测试
• 5.2.4 拉伸性能测试
• 5.2.5 扫描电镜断口观察
• 5.3 锻造对原位自生钛基复合材料硬度的影响
• 5.3.1 原位自生TiC 或（TiB+TiC）/Ti-1100 复合材料铸态下的硬度
• 5.3.2 不同锻造工艺后原位自生TiC 或（TiB+TiC）/Ti-1100 复合材料的硬度
• 5.4 锻造对原位自生钛基复合材料的室温拉伸性能以及失效方式的影响
• 5.4.1 铸态下原位自生钛基复合材料的室温拉伸性能以及失效方式
• 5.4.2 常规锻造后TiC 或（TiB+TiC）/Ti-1100 复合材料的室温拉伸性能
• 5.5 锻造对复合材料拉伸拉伸强度影响机理
• 5.5.1 不均匀变形引起位错增殖的强化
• 5.5.2 增强体对滑移位错的阻力引起强化
• 5.5.3 复合材料基体的细晶强化
• 5.6 不同锻造工艺对钛基复合材料的室温拉伸性能的影响
• 5.7 本章小结
• 参考文献
• 第六章 锻造对原位自生 TiC 或（TiB+TiC）/Ti-1100 复合材料的高温力学性能的响
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 拉伸性能测试
• 6.2.2 扫描电镜断口观察
• 6.3 常规锻造对原位自生钛基复合材料高温力学性能的影响
• 6.3.1 常规锻造对原位自生TiC/Ti-1100 复合材料的高温力学性能的影响
• 6.3.2 常规锻造对原位自生（TiB+TiC）/Ti-1100 复合材料高温力学性能的影响
• 6.4 锻造对原位自生钛复合材料高温拉伸失效机制的影响
• 6.5 锻造对原位自生钛基复合材料高温力学性能影响机理
• 6.5.1 TiC 颗粒载荷传递强化
• 6.5.2 TiB 晶须传递载荷强化
• 6.6 不同锻造工艺对复合材料高温拉伸性能的影响
• 6.7 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文
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