论文部分内容阅读
钛基复合材料（TMCs）具有高比强度、高比刚度和耐高温、耐腐蚀等众多优异性能,在航空航天等领域具有广阔的应用前景。精密铸造是一种高效的液态近净成形方法,航空航天众多复杂钛合金构件多采用精密铸造工艺成形。然而对于钛基复合材料的精密铸造来说,随着增强体的加入,钛基复合材料的流动性急剧下降,充型能力变差,同时由于增强体的存在使复合材料浇注过程中流场、温度场、应力场的分布和变化更加复杂,使铸造缺陷、铸件组织和性能更加难以掌控。本文以（TiB+TiC）/Ti-6Al-4V复合材料为研究对象,针对钛基复合材料的精密铸造展开了一系列的基础研究,系统地研究了B4C添加量对铸造用钛基复合材料的组织和性能的影响、增强体的加入对钛基复合材料流动性的影响,钛基复合材料熔体的流动停止机制,钛基复合材料的铸造性能、铸造工艺及组织和力学性能,主要研究结果如下:1.利用原位自生法制备了（TiB+TiC）/Ti-6Al-4V复合材料,探索了B4C添加量对TMCs组织和性能的影响。研究结果发现,TMCs通过添加B4C不但生成了TiB晶须和TiC颗粒,还可抑制Ti-6Al-4V粗大魏氏组织的形成。随着B4C添加量的增加,改变了TMCs凝固结晶路径,细化了TMCs中α相的层片间距,改变了TiB和TiC等增强体的分布、尺寸大小和形貌。TMCs的硬度、抗压模量Ec和基体的弹性模量Em等力学性能的变化都是随B4C的增加先急剧上升,随后增加缓慢。在B4C添加量低于0.19 wt.%时,C和B对基体的组织和结构引起的细晶强化和固溶强化对力学性能的提高起主导作用,具有较高的强化效率,铸造用钛基复合材料B4C添加量应控制在0.19 wt.%到1.63 wt.%之间。2.基于不同成分钛基复合材料的流动性试验,借助SEM等测试手段和图像分析技术,结合熔液流动停止理论和Flemings方程,分析了钛基复合材料流动性的影响规律。研究结果发现TMCs流动性并非随增强体含量增加而单调减小,由于B4C的添加,改变了TMCs的凝固结晶路径,使TMCs的凝固结晶路径与宽结晶温度范围的合金类似,这是造成TMCs流动性下降的主要原因,而TMCs成分与共晶点远近的差异造成了TMCs流动性的起伏。3.借助ProCAST有限元模拟软件,通过对钛基复合材料精密铸造过程的充型、凝固及冷却过程的计算模拟,研究了不同浇铸模型、浇注温度、离心力对钛基复合材料铸造过程中的流场、温度场的影响,预测了铸造缺陷的分布,优化了钛基复合材料精密铸造工艺。优化后TMCs精密铸造工艺为:五浇道底注式浇铸,冒口设置于平行离心力方向,浇注温度为液相线以上50℃,离心转速300（转/分）。利用模拟结果进行实体浇铸试验,获得了外形完整、筒体仅有少量缩松的钛基复合材料铸件。铸件筒体缩松的分布与模拟结果相符,经热等静压（HIP）处理后缩松得以消除,获得了合格的航天用TMCs精密铸件。4.通过对TMCs精密铸造组织结构的表征分析,发现由于B4C的加入,细化了原始β晶粒,减少了α相间的小角度晶界,使α相取向增多,α晶粒（集束）尺寸减小,α板条趋向等轴化。通过对TMCs组织转变的计算分析,发现当α相以β相作为形核质点析出时,临界晶核只有超过0.243μm才可以析出,而此时最小长径比Rmin为14。然而当α相以TiB作为形核质点析出时,形核界面能增加了14%,而弹性应变能降到了基体合金的四分之三,起始临界晶核可以减小到0.1μm,而此时晶核最小长径比Rmin为3。因此TMCs中α相趋向以TiB作为形核质点,从而以小尺寸的临界晶核析出,以小长径比类似等轴状的形貌长大。5.基于第二相强化、细晶强化和固溶强化等多种强化机制模型,结合钛基复合材料组织结构特征,计算分析了钛基复合材料的室温屈服强度,利用模拟计算定量解析了TMCs多元强化效果。发现TMCs室温的屈服强度的增加主要取决于细晶强化和固溶强化。通过对精密铸造TMCs的断裂韧性分析,发现B4C的加入引起TMCs断裂韧性的急剧下降。Ti-6Al-4V断裂时,其裂纹主要沿着晶界和相界扩展,但同时造成不同位向上?集束的变形和断裂,增加了裂纹扩展的难度,从而使断裂韧性比较高。TMCs的裂纹扩展主要沿着晶界上的增强相扩展,因此造成了其相应的断口横截面出现典型的沿晶断裂和解离断裂特点,裂纹扩展时裂纹前沿未发生明显的塑性变形,从而使其断裂韧性较低。6.利用SEM和TEM测试手段,结合TMCs断口形貌分析,提出了TMCs的断裂机制。发现Ti-6Al-4V和TMCs断裂都是通过微孔汇集造成的,但微孔的形成和长大方式的不同造成两者塑性的差异。在Ti-6Al-4V中,微孔大都分布在晶界和相界处,微孔在汇集前会发生较大的塑性变形而长大,从而使Ti-6Al-4V具有较高的延伸率。然而在TMCs中,位错主要塞积在TiB晶须与基体的界面上,在TiB上首先形成微裂纹,微裂纹的扩展会受到基体的阻碍,并在界面处形成微孔,同时也使TiB晶须可以继续起到承载作用,直到TiB进一步断裂,从而导致一根TiB晶须上常常出现几处裂纹。TMCs拉伸时,裂纹通过未长大的微孔的汇集而扩展,导致了TMCs的塑性较差。