TiB和La2O3体积分数对原位合成钛基复合材料高温力学性能的影响
1.引言
钛基复合材料由于其高的比强度、比模量、优异的抗蠕变性能、可靠的热稳定性、抗氧化性以及高的疲劳强度高温性能被广泛地用在航空，航天，汽车等领域。 最近，由于原位合成法生成的增强体分布均匀，与基体结合良好，并且与外加法比较，原位合成法工艺简单，材料性能优异，在技术和经济上更为可行，因此已广泛用于制备钛基复合材料。研究表明，对于高温钛合金，完全层片状的组织具有较好的高温蠕变，高温冲击韧性，断裂韧性等综合性能，故而成为本研究选择的基体组织。少量的硼添加能够提高硬度，高温强度，蠕变性能，疲劳以及摩擦性能；稀土元素能够通过与基体氧的反应生成硬而热稳定的稀土氧化物，达到细化基体合金和提高抗氧化性的目的，因此，TiB 和La2O3被广泛地用于钛基复合材料的增强体。最近，论文[6]研究了4种不同增强体类型的钛基复合材料，结果表明以TiB 和La2O3混合增强的钛基复合材料表现出最佳的抗拉强度与断裂延伸率的综合力学性能。然而增强体的含量对于复合材料的微结构和力学性能也有着非常明显的影响，因此，本文作者在论文的基础上，深入研究了TiB 和La2O3体积分数对原位合成钛基复合材料的影响，并确定最适度的增强体含量。
2.实验制备和实验方法
本研究采用的原材料是一级海绵钛， LaB6 粉（纯度为99%），母体合金为AlMo, TiSn, AlNb,Zr, Al,和Si.基体合金名义成分近似于近α 高温钛合金 IMI834。通过Ti 和 LaB6 在熔炼过程中发生的原位反应合成了TiB 和 La2O3 非连续增强钛基复合材料[6]:
12Ti + 2LaB6 + 3[O] =12TiB + La2O3 (1)
所有合金料混合均匀并在钮扣式非自耗电弧炉中Ar气的保护下进行。为了得到均匀的增强体分布，制备过程至少采用了2次熔炼。铸态复合材料通过热加工进行基体细化，工艺为：1050-1100°C高温条件下自由锻造开坯和 960-1010°C的高温条件下二次热加工。每次变形量保证在为75%左右，热加工后的棒材直径约15mm。
利用水淬法测定α+β /β 相变点，制备方法如下：样品加热至设定温度，保温60 分钟，然后快速扔入水中；通过常规的磨平、弛光，以及HNO3: HF: H2O=3:1:6 的水溶液腐蚀后得到金相试样。微观组织通过LEICA (MEF4A/M)金相显微镜观察。为了得到完全层片状的基体组织，所有试样经过同样的热处理：在α+β /β/ 相变点以上10℃ 保温/1h /空冷，接着，在650℃ 退火/2h/空冷。在室温，600℃, 650℃, 和700℃进行了力学拉伸测试，其中室温拉伸速率为10-3s-1，高温拉伸速率为10-5s-1。 热稳定性测试条件为：650℃热暴露100h, 除掉氧化皮，拉伸速率为10-3s-1。用日本理学Rogaku D/max 2550V 全自动X 射线衍射仪对材料进行物相分析。利用JSM-6700F 场发射扫描电子显微镜观察基复合材料的微观组织和增强体形貌。
3. 结果与讨论
3.1 相分析
图1 为复合材料的X射线衍射图谱，从图中可以看出，所有材料的X射线衍射图谱中均检测不到LaB6的衍射峰，这说明实验设计的化学反应进行比较完全，利用这个反应成功合成了TiB和La2O3增强的钛基复合材料，且基体为近α型钛合金。其中由于低的La2O3含量，X射线衍射图谱中观测不到其衍射峰，在已有的研究[6]中，背散射电子扫描电子图片和和扫描电镜图片都证明了极细小的La2O3颗粒的存在。
图1 复合材料的X射线衍射图谱
3.1 微观组织
图2(a)给出了沿着热加工方向均匀分布在基体中的增强体。根据已有的研究结果，短纤维状的增强体为TiB，La2O3在光学显微镜低的分辨率下依旧不易识别。随着增强体含量的增加，TiB短纤维应该由共晶的细长晶须状向初生的粗短片状形貌过渡，但是本试验中TiB的长径比并不是严格按照增强体含量增加而减少。主要表现在体积分数为2.11%的TMC2具有最细长的TiB短纤维[表1]。热锻过程对增强体不可避免的破坏作用也造成了TMC3中较为粗大的TiB短纤维。图2(b~d)给出了复合材料基体的微观金相图，基体合金是完全α层片组成的网篮状组织。这说明通过适当的热加工和热处理工艺可以使复合材料得到较为相近的基体组织。随着增强体含量的增加，晶粒细化，表1 给出了不同体积分数增强体对应的 α 层片的尺寸。结果表明增强体的添加能够有效地细化晶粒尺寸。
图2 TMC3的增强体分布: (a)；基体微观组织:(b) TMC1, (c) TMC2, (d) TMC3
表1 增强体的理论体积分数，复合材料的α+β /β相变点，TiB的长径比,α区的尺寸
3.3 室温以及高温拉伸性能
表2 给出了复合材料的室温以及高温拉伸的抗拉强度以及断裂延伸率，可以看出，在室温下，增强体含量中等的TMC2具有最高的抗拉强度，但是延伸率略有下降。在高温下，复合材料的断裂延伸率均随温度升高而提高，而抗拉强度则随着温度升高而下降。并且，可以发现，与室温拉伸类似，TMC2在三个温度下都具有最高的强度。
表2. 原位钛基复合材料室温和高温下的拉伸力学性能
