热氢处理对颗粒增强钛基复合材料显微组织和力学性能的影响(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室 作者:卢俊强

  颗粒增强钛基复合材料具有高比强度、高比模量以及良好的高温性能,在航空航天、先进武器系统、汽车等领域有广阔的应用前景。原位合成方法因其成本低、所制备的复合材料性能优异而备受关注。然而,由于增强体TiB和TiC等硬质陶瓷颗粒本身就是磨料,具有很高的硬度和耐磨性,对刀具的磨损十分严重,给机械加工带来很大困难;另一方面,有些形状复杂的构件通过机械加工过程难以完成, 这限制了钛基复合材料的应用和发展。模锻成型具有成型精度高,可以直接获得形状复杂构件的优点;超塑性成型具有材料塑性高、变形抗力小、可以一次精密成型等优点,尤其适用于颗粒增强的金属基复合材料的二次塑性加工成型,得到了广泛的研究。然而,钛合金及钛基复合材料的模锻和超塑性成型通常都是在900°C 左右的高温下进行,坯料和模具的氧化问题十分突出,必须在真空、保护气氛或者涂覆防氧化涂层的保护下进行,增加了成本;同时要求模具在高温下仍具有足够高的强度。

  氢元素作为临时性元素,在钛合金的热加工、机械加工、粉末固结、复合材料制备和显微组织细化等研究中得到了应用,已形成一个独特的研究领域。其中,利用氢处理技术改善钛合金的锻造及超塑性等热加工性能,成为难变形钛合金压力加工的新工艺。

  已有的研究表明氢可以显著降低颗粒增强钛基复合材料的高温流变应力,或降低高温变形的温度,合适的氢含量还可以提高其高温塑性。但是,热氢处理对颗粒增强钛基复合材料的显微组织和力学性能影响规律尚未有报道。

  本文研究了热氢处理对颗粒增强钛基复合材料 (TiB+TiC)/Ti-6Al-4V 显微组织和力学性能的影响规律,为颗粒增强钛基复合材料热氢加工的应用提供了依据。

1. 试验材料与方法

  采用真空自耗电弧熔炼法制备了增强体体积分数为5%的(TiB+TiC)/Ti-6Al-4V 复合材料。增强体TiB 和TiC 摩尔比为1:1,通过如下原位反应生成:

  5Ti+B4C→4TiB+TiC (1)
  Ti+C→TiC (2)

  将一定比例的B4C 粉末、石墨粉末、海绵钛及其合金元素的中间合混合后压制成电极。其熔炼与通常的钛合金的熔炼工艺相似,利用自耗电弧炉,经两次重熔,制备出直径为120mm 的铸锭。通过线切割和机械加工,得到尺寸为d45mm×80mm 的圆棒。

  试样表面用水砂纸打磨除去表面氧化皮,经丙酮清洗后放入高温渗氢炉内升温至750°C,加热过程中保持炉内真空度不低于10-2Pa,充入氢气后保温2小时。通过控制炉内氢压实现对氢含量的控制,利用Sartorius 高精度物理天平(精度为10-5g)采用称重法得到材料的实际氢含量。

  将圆棒表面涂覆防氧化涂层后,在1000°C 保温30min 后在空气中进行开坯锻造,终锻温度约为880°C,变形量为70%。将锻材线切割成板状室温和高温拉伸试样,其标距段尺寸均为15×5×1.5mm。

  用砂纸打磨掉材料表面的氧化皮,放入真空退火炉内进行高温除氢。除氢温度为700°C,除氢时间为2 小时。通过称重法和氢氧分析仪器OH 900 分析除氢效果以及残留氢含量。

  在Zwick z020 万能试验拉伸机上进行室温力学性能测试,应变速率为10-3s-1。在CSS-3905 高温拉伸机上进行高温力学性能测试,试验温度为400°C,应变速率为10-3s-1

  相分析在Siemens D-500 X 射线衍射仪上进行。光学金相试样经砂纸打磨和抛光,用Kroll 试剂腐蚀(成分为1-3 ml HF, 2-6 ml HNO3, 100ml水)。在Olympus BX41M 金相显微镜上进行显微组织观察。

2. 实验结果与讨论

2.1 相分析

  置氢复合材料的X 射线衍射分析结果如图1 所示。原始复合材料(0 wt.% H)XRD 图谱中除了α 和β 相的衍射峰,只有TiB 和TiC 增强体相的衍射峰,没有其他相。说明本试验中成功的以原位反应(1)和(2)为基础,制备出颗粒增强钛基复合材料(TiB+TiC)/Ti-6Al-4V。

  氢含量为0.15 wt.%时,复合材料的XRD 图谱变化不大,β 相的峰值略微增加;而当氢含量达到0.60 wt.%时,β 相的峰值明显增强,说明β相显著增多。这是因为,氢作为β相稳定化元素,能降低α+β→β的相变点,增加β 相的体积分数[9]。同时还可以推断,氢在高温下也稳定了更多的β相。

图1 置氢复合材料的XRD 图谱 (a) 0 wt.% H (b) 0.15 wt.% H (d) 0.60 wt.% H
 

2.2 相变温度

  采用金相法测定的置氢复合材料相变温度与氢含量的关系如图2所示[14]。在低氢含量处,相变温度随氢含量的增加下降的非常快。当氢含量为0.15wt.%时,相变点约为935°C,比原始材料降低了约100°C。当氢含量超过0.45wt.%,随着氢含量的继续增加,相变温度则几乎不变。氢含量为0.60 wt.% 时,复合材料相变点约为825°C,比原始试样下降了约200°C。

图2 复合材料相变温度与氢含量的关系

2.3 显微组织

2.3.1 置氢复合材料铸态显微组织

  图2是置氢复合材料的铸态显微组织。原始组织(图3(a))是典型的铸态组织。基体由粗大的α 相片层和相界β 相组成。短纤维是TiB 增强体,近等轴状的是TiC 增强体。增强体均匀的分布在基体上。当氢含量为0.15 wt.%(图3(b))时,β 相颜色变浅,两相光学衬度降低,不易腐蚀显现,总体形貌与原始组织差别不大。氢含量达到0.60 wt.%(图3(c))时,β相衬度变亮,α 相衬度变暗。白色的β 相明显增多,黑色的α 相的数量和层片间距均减小。α 相衬度变暗是因为其内部形成了大量的氢化物,氢化物因其化学电位原因更容易腐蚀变黑。图2 中显示的显微组织与图1 的XRD 的分析结果是一致的。

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