激光熔化沉积TiC颗粒增强钛基复合材料显微组织与力学性能

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钛基复合材料因具有比钛合金更高的比强度、比模量以及优异的高温力学性能，被认为是可改善钛材性能和扩展钛材应用领域的高性能结构材料之一。与连续纤维增强钛基复合材料相比，以各种高模量、高强度陶瓷颗粒和/或晶须为增强体的非连续增强钛基复合材料因其在室温、高温力学性能和耐磨损性能上均较传统钛合金材料有显著提高，同时又具有增强体价格低廉、制备工艺相对简单、材料各向同性、生产成本低等优点受到人们的广泛关注。要真正实现非连续增强钛基复合材料在航空航天等领域的工程应用，必须要解决钛基复合材料大尺寸复杂结构件的成形制造题目，目前传统成形制造方法如熔铸法、热锻、超塑性成形和粉末冶金等方法因技术工艺的限制尚难以完全满足要求。激光熔化沉积（LMD）快速成形技术具有工艺简单易操作、生产效率高、材料利用率高、易于制造梯度材料以及高度柔性和高度自动化等突出优点，可实现高性能材料设计、制备和复杂零部件近净成形的一体化。本文利用激光熔化沉积技术制备出了TiC体积分数约为5%~24%的TiC/TA15原位钛基复合材料，采用OM、SEM、XRD、EPMA和TEM等方法分析了其显微组织并研究了其凝固过程；在700~1000°C温度范围内研究了TiC/TA15复合材料的时效行为及显微组织；评价了体积分数为5%~15%的TiC/TA15复合材料的室温拉伸、高温拉伸及高温持久蠕变性能并分析了其力学行为及断裂机理；评价了体积分数为5%~15%的TiC/TA15复合材料的二体磨料磨损耐磨性并分析了其磨损机理。结果表明：(1) 激光熔化沉积TiC/TA15复合材料主要由α-Ti、β-Ti和TiC三相组成。绝大部分TiC增强体颗粒为激光熔化沉积快速凝固过程中原位析出的初生TiC，其C:Ti原子比约为0.56~0.71，呈近似等轴状或树枝状，均匀分布于α+β双相片层基体组织中，此外组织中还存在少量共晶TiC和大尺寸团块状未熔TiC颗粒。(2) 发现快速凝固TiC难熔碳化物颗粒在时效过程中内部存在Ti的脱溶沉淀析出现象，Ti基固溶体沉淀相形态呈针状或片状并按一定取向关系排列，其对母相TiC颗粒具有显著的“沉淀韧化”作用。700°C下时效时，随着时间延长，TiC颗粒的维氏压痕断裂韧性值增加，时效时间150h时达到峰值沉淀韧化效果（3.14MPa m1/2），断裂韧性值较沉积态提高88%，且测试的所有维氏硬度压痕中有数量百分比约40%的压痕四角不产生裂纹。时效温度进一步提高至800~1000°C，TiC颗粒的维氏压痕断裂韧性值下降（2.32MPa m1/2），呈现过沉淀韧化效果。(3) 发现激光熔化沉积TiC/TA15复合材料中TiC增强体颗粒表面存在独特的相变诱发沟槽状形貌特征，其表面沟槽凹陷处总与基体中β-Ti片层具有一一对应关系。TiC表面产生沟槽状形貌特征的热力学驱动力为原位合成非化学计量比TiC颗粒中高度的C缺位或Ti过饱和，基体合金β→α+β相变形成的双相结构以及TiC在TiC/α和TiC/β两种相界面上进行原子交换的动力学差异是产生沟槽形貌特征的直接原因。(4) 随着TiC体积分数由5%提高到15%，激光熔化沉积TiC/TA15复合材料的室温拉伸屈服强度和抗拉强度分别由926MPa和1086MPa下降到806MPa和886MPa，延伸率由约4.3%下降到1.3%。TiC/TA15复合材料的室温拉伸断裂机理主要为TiC增强体颗粒的脆性解理断裂和之后断裂颗粒间基体按微孔聚集长大机制发生的韧性断裂。(5) 随着TiC体积分数由5%上升至10%，激光熔化沉积TiC/TA15复合材料600°C抗拉强度由534MPa提高到625MPa，拉伸延伸率由19.6%降低至7.0%，TiC体积分数进一步增加至15%，复合材料抗拉强度和延伸率均无显著变化。随着TiC体积分数由5%上升至15%，复合材料650°C抗拉强度由403MPa提高到488MPa，拉伸延伸率由23.4%降低至11.5%。试验温度由650°C上升到700°C，10%TiC/TA15复合材料的抗拉强度由476MPa下降至342MPa，延伸率基本不变。TiC/TA15复合材料的高温拉伸断裂机理与室温拉伸相同，主要为TiC增强体颗粒的脆性解理断裂和之后断裂颗粒间基体按微孔聚集长大机制发生的韧性断裂，同时，随着试验温度升高，复合材料内增强体/基体界面脱粘造成的损伤逐渐增多。(6) 激光熔化沉积10%TiC/TA15复合材料具有较未增强TA15基体合金更优异的高温持久寿命和抗蠕变能力（600°C/310MPa条件下持久寿命约48.5h）。复合材料的持久断裂机理为颗粒断裂+界面脱粘+基体中微孔形核的混合机制以及之后基体中按微孔形核长大机制连接裂纹的韧性断裂。(7) 在二体磨料磨损条件下，激光熔化沉积TiC/TA15复合材料具有较未增强TA15基体合金更优异的抗磨料磨损性能，其主要磨损机理为显微切削和犁沟变形。复合材料的磨料磨损率随TiC体积分数的增加而降低，随外加载荷、磨粒粒度和相对滑动速度的增大而增大。

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