论文摘要
钛基复合材料是指在钛或钛合金中引入增强体的一种复合材料。它把基体的延展性、韧性与增强体的高强度、高模量结合起来，从而获得比钛或钛合金更高的比强度、比刚度和抗高温性能，有望应用在超高音速宇航飞行器和先进航空发动机上。为了更好发挥钛基复合材料的潜力，需要采用合理的热加工工艺和热处理工艺。其中，关于钛基复合材料热处理方面的研究很少。目前常用的α+β热处理工艺的蠕变性能不佳，β热处理工艺的塑性不理想。所以，本文设计了新型的热处理工艺，以期能提高钛基复合材料综合力学性能，主要开展了以下研究工作：利用Ti与LaB6之间的反应，采用熔铸法成功制备了以IMI834为基体，增强体TiB体积分数为1.26%，La2O3为0.582%的原位自生的钛基复合材料。铸锭直径为φ580mm，增强体TiB呈长条状随机分布，La2O3以纳米级的小颗粒弥散分布在基体中。热加工采用了等温快锻工艺，在β相区开坯，在两相区终锻为φ70mm的棒材，加工后增强体TiB沿加工方向定向分布。研究了近α钛合金的相变规律，设计出了新型的热处理工艺，即β三段热处理工艺，也就是在β相区固溶处理后，在α+β两相区上部进行第二次热处理，然后时效。其中在β相区加热保温后采取了不同的冷却方式：水冷、油冷和空冷。同时还制定了常用的α+β热处理工艺和β热处理工艺。经β三段热处理后材料的组织为α片层组织，α片层长径比较大，并且在β相区热处理时采用的冷却速率越快，α片层宽度越小。α+β热处理后组织为双态组织，β热处理后的组织为魏氏组织。β热处理与β三段热处理相比，α片层宽度从小到大的工艺依次为β三段水冷、β三段油冷、β热处理、β三段空冷热处理。在热处理过程中，增强体稳定，形态上基本没有变化，并且增强体与基体的界面清晰没有界面反应。但是在β相区热处理过程中，增强体TiB和La2O3阻碍β晶界运动，从而减弱了β相区加热时β晶粒长大。增强体能促进形核，α相在TiB周围以一定的取向析出长大，增强体密集的区域晶粒较小，取向差较大。热处理后的性能比较，经α+β、β三段水冷和β三段油冷热处理后的材料具有良好的室温和高温拉伸性能，β三段空冷热处理的次之，β热处理的较差。室温时，经α+β、β三段水冷和β三段油冷热处理后材料的延伸率较β热处理的约提高了1倍。高温时随着温度升高，材料的抗拉强度都下降，延伸率都升高。β三段水冷热处理后材料的高温延伸率最好，β三段油冷和α+β热处理的次之，β热处理的最差。在700℃拉伸时，β三段水冷热处理后材料的抗拉强度较β热处理的减少30MPa时，延伸率则较β热处理的提高2.06倍。材料高温热暴露100小时后室温抗拉强度稍有提高，延伸率显著下降，热处理对材料热稳定性影响与室温拉伸一致。材料α+β热处理后的蠕变速率最高，β热处理的最低，β三段油冷热处理的较β热处理的稍高，但大部分仍然在一个数量级，α片层越粗大蠕变速率越低。材料β热处理后的断裂韧性值最低，β三段油冷热处理后的最高。β三段油冷热处理后的断裂韧性较β热处理后的提高了47%。双态组织由于初生α相分布在β转变组织上，所以其塑性好，蠕变性能差。β热处理和β三段热处理得到的魏氏和α片层组织，α片层越粗大蠕变性能越好，而α片层、α＋β集束宽度和β晶粒越小，塑性越好。钛基复合材料中增强体TiB短纤维在室温和高温拉伸时的断裂机理为大于临界长径比的TiB短纤维承载断裂。由于临界长径比随着温度升高而增大，高温时有很少量的TiB短纤维端部脱粘现象。在高温热暴露100h后增强体形态基本没有变化，界面依然整洁，增强体稳定。蠕变后观察到大量的晶间断裂和TiB增强体与基体脱粘，说明在长时间高温暴露服役后，晶界强度和增强体与基体界面强度都降低，增强体与基体界面强度同晶界强度相近。La由于吸收了基体合金中的氧生成了的La2O3小颗粒弥散分布在材料中，起弥散强化作用。La2O3小颗粒有利于提高材料的强度、热稳定性和蠕变抗力。