原位生成TiB_w_Ti复合材料的微观组织及高温压缩变形过程的演化规律

1、 原位生成T i B w T i 复合材料的微观组织及高温压缩变形过程的演化规律M icro structu re of the in Situ T i B w T i Com po site and its Evo lu ti on D u ring Ho t D efo rm ati on张杰,翟瑾蕃(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150001ZHAN G J ie ,ZHA I J in 2fan(Schoo l of M aterials Science and Engineering ,H arb in In stitu te of T echno logy ,H arb

2、in 150001,Ch ina 摘要:用粉末冶金原位合成法制备了T i B 晶须增强钛基复合材料。利用扫描电镜和X 射线衍射方法对经挤压变形后复合材料的微观结构进行了分析,在复合材料中观察到反应生成的T i B 晶须。复合材料经过热挤压变形后,T i B 晶须沿挤压方向定向排列。对挤压态T i B w T i 复合材料进行高温压缩变形,T i B 晶须在热压缩变形过程中发生转动或折断现象,变形温度越低,晶须折断现象越严重。关键词:T i B ;钛合金;复合材料;热压缩中图分类号:TB 332文献标识码:A 文章编号:100124381(20020820010203Abstract :T i

3、B w h isker reinfo rced T i com po site w as fab ricated in situ by pow der m etallu rgy u sing T i and pow der 1T he m icro structu re of the ho t ex truded com po sites w as exam ined by m ean s of SE M and X 2ray D iffractom eter 1A s a reactan t ,the T i B w h isker w as fo r m ed in the com po

4、site ,and m o st of the w h iskers w ere o rien ted in the ex truded directi on after ho t ex tru si on 1A fter com p ressive defo r 2m ati on ,the T i B w h iskers ro tate ,leading to the b reakage of som e w h iskers 1T he ro tati on and b reakage of the w h iskers becom e m o re seri ou s w ith d

5、ecreasing defo r m ati on tem peratu re 1Key words :titan ium bo ride ;titan ium alloy ;com po site ;ho t com p ressi on钛基复合材料因其具有高比强度、高比模量和耐高温性能,在航天、航空、汽车等工业领域有广泛的应用前景。原位生成法制造钛基复合材料是通过加入能生成第二相颗粒的元素,如B 、C 、Zr 、稀土金属等,这些微合金化添加剂能在熔炼过程中生成细小、稳定的增强相,来提高复合材料的性能。研究表明1-4,原位生成法由于制造工艺简单,新生成的增强相晶体完整性好,表面无污染,与基体

6、的结合性好而成为制造钛基复合材料的重要方法。本文研究了原位生成T i B w T i 复合材料的微观组织及高温变形后的微观组织变化规律。1实验材料与方法采用60m 的T i 粉末(纯度98%和2m 的B 粉末(纯度98%,T i 和B 粉的配比按原位形成15%T i B (体积百分数混合。用双轴旋转混粉机机械混粉24h ,混合均匀后,冷压到理论致密度的70%。在真空热压炉中加热除气,温度达到1250后开始加压并保持015h ,制备出原位合成T i B w T i 复合材料。复合材料热压锭在1100以181的挤压比进行挤压成棒材。沿挤压棒的纵向切取<8mm ×12mm 的圆柱形热

7、压缩试样(见图1,在Gleeb le 21500热 力模拟试验机上以1×10-4s -1的应变速率进行不同变形温度的热压缩实验,变形量为20%。在金相显微镜和扫描电镜下观察了变形前后的微观组织,并利用X 射线衍射方法分析了增强体的结构 。图1热压缩试验取样示意图F ig 11Speci m ens fo r ho t comp ressive tests01材料工程 2002年8期2结果与讨论图2为复合材料在垂直和平行于挤压方向的金相照片。由图可见,材料经过181的热挤压变形后,原本随机分布的增强体发生了定向排列。在垂直于挤压方向的横截面上分布着细小的粒子,其直径约为1m(图2a,这

8、些粒子实际上是增强体的横截面。在平行于挤压方向上,增强体为长针状,其长度约为20m(图2b。从所形成的增强体尺寸和长径比来看,可以认为T i B增强体为晶须。图2挤压棒材的显微组织(a横截面组织;(b纵截面组织ig12M icro structure of the extruded compo site(atransverse secti on;(blongitudinal secti on钛在高温下可与硼发生反应,生成T i X B。通过添加适当含量的硼粉到钛粉中,在高温下使其发生化学反应,在钛合金中原位生成T i B2,T i B,其反应式为:T i+B=T i B(1T i+2B=T i

9、 B2(2事实上利用原位反应的方法不能合成T i B2增强的钛基复合材料。这可能与存在过量的钛有关,过量的钛使T i B2不能稳定存在于钛合金中。过量的钛与T i B2的反应式为:T i+T i B2=2T i B(3所生成的T i B为B27有序斜方结构,形核与长大时,易于沿着b轴方向优先生长,即100方向生长,形成晶须状的增强体存在于钛基体中5。经热挤压后的T i B增强体沿挤压方向定向排列,其长轴方向即100方向,垂直于挤压棒的横截面,因此在横截面上只显示与100方向垂直的晶面,(200晶面恰好与100方向垂直,通过对试样横截面衍射峰的标定,确认其为T i B(200面的衍射峰(图3,可

10、以认定在复合材料中形成了T i B晶须,且经过热挤压后沿挤压方向定向排列。在图中未发现T i B2的衍射峰,说明没有生成T i B 2。对挤压态复合材料沿挤压方向取试样进行热压缩实验,观察了应变速率为1×10-4s-1,变形温度分别为600,650和700,变形量为20%时,热压缩试样侧表面的金相组织,如图4。从图中可以看出,复合材料中的晶须在压缩变形过程中都发生了转动,由于压缩变形时的最大切应力与压缩方向成45°角,所以晶须的转动方向也与压缩方向成45°角。图3原位合成T i B w T i复合材料的X射线衍射结果F ig13X2ray diffracti on

11、 results ofthe in situ T i B w T i compo site600变形时,T i B晶须大部分都折断成类似于弥散分布的第二相(图4a,说明在较低的变形温度下,钛基体的软化程度低,晶须与基体协调变形能力差,在压缩变形过程中由于机械应力的作用而折断。当变形温度升高到650时,只有少量晶须在变形过程中折断。在700压缩变形时,大部分晶须都随着钛基体的变形而发生整体转动,几乎没有折断的现象。说明随着变形温度升高,钛基体的软化程度增加,在变形过程中晶须更容易发生转动,两者的变形协调性更好,相应地,晶须对钛基体的增强作用减弱。11原位生成T i B w T i复合材料的微观组

12、织及高温压缩变形过程的演化规律 图4当变形速率为1×10-4s-1,变形量为20%时,复合材料在不同温度下热压缩变形后的显微组织F ig14M icro structure of the T i B w T i compo sites defo r m ed by a reducti on inth ickness of20%at600(a,650(band700(cw ith a strainrate of1×10-4s-13结论(1用粉末冶金原位合成法制备了T i B晶须增强钛基复合材料,经热挤压变形后,T i B晶须在钛合金基体总分布更加均匀,且沿挤压方向定向排列。(

13、2T i B w T i复合材料中的T i B晶须在热压缩变形过程中会发生转动或折断现象,变形温度越低,晶须折断现象越严重。参考文献1B V R adhak rishna Bhat and J Subram anyam1P reparati on of T i2T i B2T i C and T i2T i B compo sites by in2situ reacti on ho t p ressingJ1M aterials Science and Engineering,A325,2002:126-13012C Schuh and D C D unand1W h isker alignm

14、 ent of T i26A l24V T i Bcompo site during defo r m ati on by transfo r m ati on superp lasticity J1Internati onal Journal of P lasticity,2001,17:317-3401 3W eijie L u and D i Zhang1H rem Study of T i B T i Interfaces in aT i2T i B2T i C in Situ Compo siteJ1Scri p ta M ater,2001,44:1069-107514S S Sa

15、hay and K S R avichandran1Evo luti on of M icro structureand phases in in situ p rocessed T i2T i B compo sites containingh igh vo lum e fracti on of T i B w h iskersJ1J M ater R es,1999114(11:4214-422315吕维杰,张小农,等1原位合成T i B T i基复合材料增强体的生长机制J1金属学报,2000,36(1:104-1081基金项目:哈尔滨市留学回国基金资助项目(0081218003收稿日期:

16、2002207213作者简介:张杰(19632,女,副研究员,硕士,联系地址:哈尔滨工业大学材料科学与工程学院测试中心,(150001。33333333333333333333333333333333333333333333(上接第25页3结论(1T i A l N涂层厚度约5m,与基体结合良好。涂层为柱状多晶组织,(T i,A lN为其主要组成相。(2A l含量对涂层的相结构有一定的影响,A l 含量越高,越有利于T i2A l N六方相的形成。(3随着A l含量的增加,(T i,A lN相在(111方向的择优取向趋势减弱,其晶格常数也逐渐变小,从T i N的01425nm递减至T i015

17、A l015N时的01419nm。参考文献1王永康,夏立芳,雷廷权,等1T i A l N T i多元复合涂层的截面透射电镜研究J1兵器材料科学与工程,2000,23(6:12-1512S B Sant,K S Gill1Grow th and Characterizati on of Cathodic A rcEvapo rated C r N,(T i,A lN and(T i,ZrN F il m sJ1Surf&Coat T echno l,1994,68 69:152-15613王永康,熊仁章,雷廷权,等1T i015A l015N涂层的抗高温氧化性能J1材料工程,2001,

18、(1:12-1514J Pal m ers,M V Stappen1D epo siti on of(T i,A lN Coatings byM eans of E lectron Beam I on P lating w ith Evapo rati on of T i andA l from Two Separate C ruciblesJ1Surf&Coat T echno l,1995,76 77:363-36615E L ugscheider,O Kno tek1D epo siti on of A rc T i A l N Coatingw ith Pulsed B iasJ1Surf&Coat T echono l,1995,76 77:700-70516Y K W ang,L F X ia,T Q L ei,et al1A R esearch on M icro struc2ture and P roperties of(T i,A l