编号：CYYJ043958
篇名： 原位陶瓷颗粒增强TA15基复合材料的组织结构与力学性能研究
作者： 赵宁
关键词： 放电等离子烧结; 多步热轧; 强塑性匹配; 位错密度; 马氏体α';
机构：西安石油大学
摘要： 采用放电等离子烧结技术制备了烧结态TA15合金,并探索出合理的多道次轧制工艺,采用该工艺提升了 TA15合金的室温力学性能,并研究了其组织结构演变和强化机理。为了进一步提高力学性能,采用两步球磨法将不同含量的纳米硅粉加入TA15合金中,放电等离子烧结后,通过上述轧制工艺提高力学性能。研究了硅化物对材料组织演变的影响,解析了硅化物对复合材料的强化机制。由于先前研究报道B4C作为增强体可生成TiBw钛基复合材料,具有良好的增强效果。我们结合上述工艺加入B4C成功地制备出具有高强塑性的TiBw/TA15复合材料,研究TiB对材料组织演变的影响并计算分析了强化机制。通过SEM、EBSD、TEM、EPMA、XRD等手段对TA15合金及复合材料观组织结构进行了表征分析,并对复合材料的力学性能进行了测试。实验及分析结果表明: (1)TA15合金经过多步热轧工艺后,抗拉强度从827MPa大幅提高到1222MPa,提高了 47.76%,同时延展性提高了 18.84%。α相的晶体取向转变为{0001},形成了层状异质结构,LAGB的比例从2.1%增至78.3%。此外,储存的GNDs位错密度也从2.0×101414m-2显著提高到5.26× 1014m-2。在β相中沿着β基体的{110}BCC<1-10>BCC析出了均厚度约为14nm的超细α片层状纳米沉淀物。小角度晶界的增加可为位错滑移提供成核点,使位错更容易滑移,从而提高其延展性。 (2)加入不同含量Si后,材料的强度及延展性显著提高。特别是在硅含量为0.3w wt.%时,复合材料具有优异的强塑性匹配,抗拉强度为1397MPa,延伸率为10.08%。相较于纯TA15合金强度增幅14.32%,塑性上升了 22.9%。随着硅含量增加到0.45 wt.%时,抗拉强度上升到1540MPa,延伸率则大幅下降至5.6%。强度相较于纯TA15合金强度增幅26.02%,延伸率下降了 3 1.7%。在复合材料的组织结构中,硅化物在原位沉淀和偏析后偏向于在相界、晶界及高变形区等高能区域沉淀。析出的(Ti,Zr)5Si3对相界及晶界有一定的强化作用。在β相边界析出的硅化物颗粒对相界的运动产生了钉扎作用,限制了β相的变形。硅化物在复合材料中分布较为均匀,可以对复合材料产生弥散强化,且(Ti,Zr)5Si3与α相及β的界面结合良好。此外,该复合材料中α′片层厚度小于TA15合金中所统计的α′片层厚度,由于硅元素的加入,化学边界密度升高,进而导致α′相的生长被抑制。 (3)相较于纯轧制态TA15合金,不同含量B4C轧制态TA15复合材料的力学性能相差较大,0.1 wt.%B4C复合材料强度提高了 108 MPa,由于微量TiB晶须对基体的变形影响较小且对基体颗粒有较好的联通作用,延伸率大幅度上升。增强相含量上升到0.2 wt.%时,由于基体中TiB晶须数量的增加,TiB晶须强化作用更加显著,强度上升了 248 MPa,延伸率只下降了 1.06%,具有良好的强塑性匹配。进一步加入0.3B4C,抗拉强度提高了 318 MPa且断裂延伸率相较于TA15合金小幅上涨。TA15+0.3 wt.%B4C复合材料中TiB形成了一种准连续分布的网状结构。TiB晶须为特殊的B27结构,状的晶须可以生长到Ti颗粒内部,具有非常好的联通基体晶粒的作用,此外,TiB晶须还能够将β相与基体α相联结起来能够有效的提升复合材料的强度及塑性。SPS烧结时TiB在温度驱动力下进行生长和粗化,随后在轧制过程中较高的压力下被迫发生旋转从而形成晶体失配。α-Ti与TiB的界面处错配度较大,为典型的半共格界面。由于半共格界面处的界面能较大,位错滑移困难,因此能够提供更高的强度。此外,纳米级TiB晶须引起了复合材料局部位错密度上升,提升基体储存位错的能力。TiB晶须对基体还具有弥散强化效应。 (4)对TA15合金及复合材料的强韧化机理进行了分析和计算,结果表明:轧制过程使TA15合金及复合材料的位错密度大幅度提高,这些位错提供了较高的强度。除此之外,变形β中析出的马氏体α′相同样使材料得到强化,增强相颗粒具有弥散强化作用。塑性的提升得益于增强相与基体良好的界面结合,以及基体良好的变形能力。