原位自生7715D基复合材料高温蠕变性能研究

论文摘要

近几十年来,对于高温高强度和高抗蠕变性的航空航天用材料的研究持续发展,以取代或改善现存的材料。其中对于作为航空航天结构材料的钛基复合材料的研究发展迅速。钛基复合材料具有高比强、高比模和耐高温等优点,被视为最具潜力的新一代航空航天用高温结构材料之一。利用原位自生技术制备的颗粒增强钛基复合材料的增强体和基体相容性好,界面清晰、洁净,结合强,增强体在基体中分布均匀,增强体和基体在热力学上稳定,在高温工作时,性能不易退化,而且成本低廉,工艺简单,因此逐渐受到人们的关注。作为高温结构材料,高温蠕变性能是其主要考核指标之一,而目前这方面的研究工作还比较少。因此研究原位自生钛基复合材料的高温蠕变性能具有重要意义。本工作主要对三种原位自生钛基复合材料TiB/Ti、TiC/Ti和（TiB+TiC）/Ti的高温蠕变性能进行了初步研究与探讨。一方面,对于上述三种复合材料的实际应用给予了一定的实验参考;另一方面,为今后深入研究原位自生钛基复合材料的高温蠕变性能和进一步提升原位自生钛基复合材料的使用温度提供了一定的理论和实验依据。本研究中的三种钛基复合材料以已在航天领域获得应用的7715D基钛合金为基体,利用Ti与B4C、石墨及硼粉的化学反应,通过真空自耗电弧熔炼工艺制备。重点测试分析了这三种钛基复合材料的高温蠕变性能,并且利用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜、透射电镜等对其物相、微观组织、增强体TiB及TiC的微结构等进行了观察和分析,据此来探讨各种增强体对原位自生钛基复合材料高温蠕变性能的影响机制。本文的研究主要包括以下几个方面:（1）为了便于比较分析,使用同样的制备方法制备了基体合金,并且通过同样条件的热处理来消除基体组织对比较分析的影响。基体合金、复合材料TiB/Ti、TiC/Ti和（TiB+TiC）/Ti在经过统一的热处理后,复合材料的基体组织和基体合金的组织基本相同,都为篮网状组织;复合材料中的增强体分布均匀,增强体与基体结合良好,界面清晰;TiC增强体呈等轴状或近似等轴状,TiB呈晶须状。（2）测试了基体和三种复合材料的高温蠕变性能。通过对稳态蠕变速率和微结构变化的分析发现,增强体的加入可以提高复合材料的变形抗力,显著改善复合材料的高温蠕变性能。三种复合材料中TiC/Ti具有最佳的高温蠕变性能,其稳态蠕变速率与基体合金比较有了明显的改善。（3）通过计算分析高温蠕变结果和对高温蠕变后的微结构的观察,发现基体材料和复合材料（TiB+TiC）/Ti为第一类蠕变机制,其真应力指数为3.5,（TiB+TiC）/Ti主要的增强机制为门槛应力,同时伴随微结构增强和微弱的载荷转移;复合材料TiB/Ti和TiC/Ti在650℃和700℃是典型的第二类固溶体蠕变行为,载荷转移和微结构增强是二者主要的增强机制。而在600℃时,通过对这两种复合材料的表观应力指数的计算,推测可能都存在蠕变机制的转变,复合材料TiB/Ti具有与第一类固溶蠕变行为相似的应力指数,而TiC/Ti与晶界滑移控制的蠕变机制相同的特征。复合材料在高温下的失效方式主要是增强体与基体的脱粘。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛基复合材料制备的原位自生法
• 1.3 原位自生钛基复合材料的合成方法
• 1.3.1 机械合金化法（Mechanical alloying，MA）
• 1.3.2 反应热压法（Reactive hot pressing,RHP）
• 1.3.3 熔铸法（Ingot metallurgy,IM）
• 1.3.4 高温自蔓延合成法（Selfpropagating high-temperature synthesis，SHS）
• 1.3.5 放热扩散法（Exothermic dispersion, XD）
• 1.3.6 燃烧辅助铸造法（Combustion assisted cast,CAC）
• 1.3.7 快速凝固法（ Rapid solidification processing,RSP）
• 1.3.8 其他原位合成方法
• 1.4 增强体和基体的选择
• 1.4.1 增强体的选择
• 1.4.2 基体的选择
• 1.5 原位钛基复合材料的反应体系
• 1.5.1 原位反应体系
• 1.5.2 原位自生钛基复合材料的微观组织结构
• 1.6 本研究工作的内容和意义
• 参考文献
• 第二章 材料的制备和微观结构
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法和内容
• 2.2.1 材料的制备
• 2.2.2 结构分析
• 2.3 材料的组织结构
• 2.3.1 材料的相组成
• 2.3.2 材料微观组织的金相分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 复合材料的高温蠕变性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验内容与方法
• 3.2.1 蠕变测试实验设备
• 3.2.2 试样的制备
• 3.2.3 蠕变测试
• 3.2.4 蠕变后的微结构分析
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 材料的蠕变曲线分析
• 3.3.2 材料高温蠕变机制和增强机制
• 3.3.3 材料高温蠕变后的微观组织
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 结论
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表的学术论文