【摘 要】
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TC4钛合金作为结构材料因具有优异的抗腐蚀性、高的比强度等优势被广泛应用于兵工、航空航天、车辆、医疗等领域。然而,随着航空航天技术的发展,对TC4合金提出了更加苛刻的要求。材料复合化因兼具钛合金良好的韧性、陶瓷颗粒较高的比强度和比刚度,可有效改善TC4钛合金的整体性能,提升其强度、韧性和抗腐蚀性,因而具有更为广阔的应用前景。为拓展其应用领域,可原位引入纳米陶瓷颗粒增强相TiC,制备钛基复合材料。论
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TC4钛合金作为结构材料因具有优异的抗腐蚀性、高的比强度等优势被广泛应用于兵工、航空航天、车辆、医疗等领域。然而,随着航空航天技术的发展,对TC4合金提出了更加苛刻的要求。材料复合化因兼具钛合金良好的韧性、陶瓷颗粒较高的比强度和比刚度,可有效改善TC4钛合金的整体性能,提升其强度、韧性和抗腐蚀性,因而具有更为广阔的应用前景。为拓展其应用领域,可原位引入纳米陶瓷颗粒增强相TiC,制备钛基复合材料。论文针对复杂TC4合金精密构件的快速制造要求,采用选区激光熔化（Selective laser melting,SLM）原位制备TiC/TC4钛基纳米复合材料,建立了复合材料微观组织、应力-应变演化、原子尺度下变形行为与其宏观性能之间的关系,明确了TiC/TC4钛基纳米复合材料的变形强化机制、腐蚀机理;研究了多孔TC4合金的变形演化和断裂机制,阐明了原位自生的纳米陶瓷颗粒TiC对多孔TiC/TC4钛基纳米复合材料力学性能的作用机制。主要研究内容及获得的结论如下:（1）研究了TC4合金和TiC/TC4钛基纳米复合材料的力学性能。结果表明,压缩变形过程中剪切部位的应力-应变集中点引起了TC4合金微裂纹的产生。拉伸变形过程中大面积的应力-应变集中导致TC4合金来不及塑性变形而产生脆性断裂。SLM成形过程中C元素的固溶以及Ti原子与C原子的原位反应会在热力学和动力学上触发针状马氏体的大量形核,复合材料基体中晶界增多,变形过程中增大了位错的运动阻力,起到细晶强化、位错强化的效果。同时,原位自生的纳米陶瓷颗粒可使显微空洞（韧窝形貌的前驱体）的断裂由原来的界面转变为TiC与基体界面,导致V元素在韧窝断口的不均匀分布（TC4韧窝断口）转变为均匀分布（TiC/TC4钛基纳米复合材料韧窝断口）。（2）研究了TiC/TC4钛基纳米复合材料在原子尺度下的变形机理。结果表明,原位自生的纳米TiC增强体不仅通过载荷传递作用强化其力学性能,而且还在其附近部位产生应力集中现象,诱发α-Ti基体孪生的激活,促使TiC/TC4钛基纳米复合材料在变形过程中原子的有序排列,提高了其抗塑性变形能力;同时,TiC/TC4钛基纳米复合材料中的孪晶界及钛合金基体中不同取向-Ti形成的相界会在变形过程中增大位错经过该界面域时的晶格摩擦应力,钉扎位错。（3）研究了SLM原位自生TiC对TiC/TC4钛基纳米复合材料织构、腐蚀行为的影响。结果表明,复合材料腐蚀表面与常规TC4合金相比,其表面更光洁,腐蚀性能更优异;SLM原位制备TiC/TC4钛基纳米复合材料致密的织构、较少的缺陷以及钝化膜Ti O2的再次生成,使其抗腐蚀性能提高。（4）研究了多孔TC4合金及多孔TiC/TC4钛基纳米复合材料的力学性能。结果发现,Diamond型多孔TC4合金的应力应变演化主要沿剪切带呈对称向两侧扩散,BCC型多孔TC4合金的应力-应变则沿其剪切带的下半部传递;尺寸不一、紧密结合的细小针状马氏体是其力学性能提高的根本原因。同时发现SLM原位自生TiC可以作为韧窝的形核位点,促使多孔TiC/TC4钛基纳米复合材料发生韧性断裂。
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