原位合成TiB晶须增强Ti60复合材料的组织和性能研究

论文摘要

本文以TiB2颗粒和Ti60高温钛合金颗粒为原料采用反应热压法制备了TiB晶须增强Ti60基复合材料,增强相呈非均匀网状分布,其中增强体的体积分数分别为5%,8%和12%。采用热力学计算分析了热压烧结Ti60-TiB2混合粉末制备钛基复合材料的可行性。采用XRD、SEM等方法对TiBw/Ti复合材料的显微组织进行研究。测试了复合材料的室温拉伸性能和高温拉伸性能。对复合材料进行了轧制变形并热处理,研究轧制变形后热处理对复合材料微观组织和性能的影响。热力学分析结果表明,可以基于Ti60-TiB2反应体系,利用Ti-TiB2之间的放热反应制备原位自生TiB晶须增强的钛基复合材料,并通过改变TiB2的添加量来调节TiB晶须在复合材料中的体积比。微观组织分析表明,复合材料中的TiB为棒状晶须,分布在颗粒状的Ti60基体周围,形成网格结构。TiB晶须像销子一样深深的长进了相邻的Ti60颗粒内部,使相邻的Ti60颗粒紧紧的连接在一起。这将大大提高复合材料的强度。另外,相邻的Ti60颗粒在晶须生长的空隙也相互连通。这将对复合材料的塑性是有利的。烧结温度、增强体含量以及轧制变形后热处理都会对显微组织产生很大的影响。研究表明,在1300℃下烧结的复合材料组织致密,基体组织为类等轴α和片层α。并发现随着增强体含量的增多,在网状结构中的晶须形成厚厚的“砂灰层”,这对材料的性能是不利的。观察轧制热处理态复合材料的微观组织,发现950℃淬火态呈现典型的三态组织,即等轴α、条状α和β转变基体;500℃时效态与淬火态相比,等轴组织较多,而600℃时效态则为粗大的条状α组织。力学性能分析结果表明,同未增强的纯Ti60基体相比,复合材料的抗拉强度特别是高温拉伸强度,有了很大的提高,延伸率甚至比基体还要高,较增强体均匀分布的钛基复合材料塑性有很大改善。通过测试不同热处理状态复合材料的拉伸性能,发现淬火态组织及500℃时效态组织具有优异的综合性能。其中淬火态性能最好,室温性能以TiB晶须体积分数为5%的复合材料为最高,抗拉强度达到1377MPa,比纯Ti60基体提高25.2%,延伸率也达到了13.06%;高温性能以TiB晶须体积分数含量为8%的淬火态复合材料最佳,600℃拉伸强度达到1124MPa,比Ti60合金提高60.57%,延伸率达到15.4%;700℃拉伸强度达到746MPa,延伸率达到30%,较Ti60合金使用温度提高100℃。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 国内外的研究现状及分析
• 1.3 基体和增强体的选取
• 1.3.1 基体的选取
• 1.3.2 增强体的选取
• 1.4 钛基复合材料的原位自生制备技术
• 1.4.1 熔铸法
• 1.4.2 自蔓延高温合成技术
• 1.4.3 快速凝固法
• 1.4.4 机械合金化与高能球磨技术
• 1.4.5 放电等离子烧结技术
• 1.4.6 反应热压法
• 1.5 原位自生钛基复合材料的力学性能
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 试验原料和研究方法
• 2.1 试验用原材料及制备工艺
• 2.2 材料的组织结构分析
• 2.2.1 X-射线衍射分析
• 2.2.2 微观组织分析
• 2.3 材料性能测试
• 2.3.1 致密度测试
• 2.3.2 室温拉伸性能测试
• 2.3.3 高温拉伸性能测试
• 第3章 烧结态复合材料的制备及组织性能
• 3.1 热力学计算及分析
• 3.2 烧结温度对复合材料组织与性能的影响
• 3.2.1 XRD 物相分析
• 3.2.2 烧结温度对复合材料组织的影响
• 3.2.3 烧结温度对复合材料室温性能的影响
• 3.2.4 烧结温度对复合材料高温性能的影响
• 3.3 增强相含量对复合材料组织与性能的影响
• 3.3.1 增强相含量对复合材料组织的影响
• 3.3.2 增强相含量对复合材料室温性能的影响
• 3.3.3 增强相含量对复合材料高温性能的影响
• 3.4 烧结态复合材料断口分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 轧制态复合材料的组织与性能
• 4.1 热处理对轧制态复合材料组织与性能的影响
• 4.1.1 热处理对复合材料组织的影响
• 4.1.2 热处理对复合材料室温性能的影响
• 4.1.3 热处理对复合材料高温性能的影响
• 4.2 增强体含量对轧制态复合材料组织与性能的影响
• 4.2.1 增强体含量对复合材料组织的影响
• 4.2.2 增强体含量对复合材料室温性能的影响
• 4.2.3 增强体含量对复合材料高温性能的影响
• 4.3 轧制态复合材料断口分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢