分享：锻造工艺对TiBw增强近α高温钛基复合材料显微组织的影响

田玉晶,孙世臣,胡 辰,方晓英,赵而团

(山东理工大学机械工程学院,淄博 255022)

摘 要:对含体积分数3%TiBw 增强相的近 α高温钛基复合材料进行不同应变速率(0.01~0.10s-1)与变形量(30%~70%)的单道次单向锻造以及多向锻造,研究锻造工艺对复合材料显微组织的影响。结果表明:不同应变速率下单向锻造后,复合材料中 TiBw 增强相垂直于锻造方向均匀分布,随着应变速率的增加,TiBw 增强相的破碎程度增大,等轴α相的含量降低,层片状α相和β转变组织的含量增加;随着变形量的增加,TiBw 增强相被碎程度增大,其定向排列的趋势更加明显,等轴α相含量增加,层片状α相和β转变组织的含量降低。多向锻造后,TiBw 增强相破碎,但分布无明显取向,基体组织为层片状α相和β转变组织;多向锻造态复合材料的屈服强度、抗压强度分别为1512,1802MPa,比铸态复合材料的分别提高了15.4%,5.9%。

关键词:钛基复合材料;锻造;应变速率;变形量;显微组织

中图分类号:TG316.3 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2020)07-0012-06

0 引 言

随着新一代空天飞机和超高声速飞行器的飞行速度越来越高和飞行距离越来越远,飞机或飞行器表 面 的 温 度 已 超 过 目 前 应 用 较 成 熟 的 Ti1100、IMI834、BT36、Ti600 等 高 温 钛 合 金 的 温 度 极 限(600 ℃)[1-2],因此迫切需要发展综合性能更好的轻质高温结构材料。γ-TiAl基合金虽具有良好的高温性能,但其室温塑性较差,塑性加工困难,成本相对较高,因此应用范围严重受限[3-4]。根据高速飞行器短时应用的特点,国内多家研究机构对600 ℃以上短时应用高温钛合金进行了相关研究,并取得了一定的成果[5-8];但钛合金在高温下存在晶界软化、脆性第二相析出等问题,这些极大地制约着其应用范围。非连续增强钛基复合材料相对于传统钛合金具有更高的比强度、比模量以及更优异的耐磨性能、高温抗氧化性能与抗蠕变性能,其服役温度较基体钛合金的提100~200℃,而且密度比基体钛合金的小[9],能满足超高速飞行器结构材料的轻质、耐高温要求。其中,原位自生 TiB晶须(TiBw)增强复合材料因 TiB 增强相与基体之间具有良好的界面结合性 而 受 到 研 究 者 们 的 关 注,并 成 为 研 究 热点[10-12]。然而,钛基复合材料的室温塑性较差,且随着增强体含量的增加而变得越来越差,这严重降低了材料的服役可靠性及后续加工成形能力,极大制约着钛基复合材料的发展与应用。

热加工可以细化金属基材料组织,改善材料的室温脆性并提高材料的塑性。计波等[13]通过在合适温度区间热挤压制备得到塑性和强度匹配较好的TiB+TiC/Ti6Al4V 复合材料;吕维洁等[14]通过分析不同等温热变形工艺下的显微组织,确定了 TiB+La2O3 增强钛基复合材料的最佳变形工艺;朱立洋[15]研究发现,TiBw/Ti-6Al-4V 钛 基 复 合 材 料 经等温多向锻造后,TiBw 增强相均匀分布,复合材料的强度提高。近α钛合金经过剧烈的塑性变形后,其强度和塑性显著提高[16]

;TiBw 增强相的引入降低了钛基复合材料的成形性能.但是目前鲜见有关热加工工艺,特别是锻造工艺对 TiBw 增强近 α钛基复合材料显微组织影响的报道。为此,作者在前期研究的基础上,以自制的短时应用近α高温钛合金为基体合金[17],以原位自生 TiBw 为增强相制备钛基复合材料,研究不同应变速率、不同变形量单道次单向锻造以及单道次多向锻造条件下的显微组织,为 TiBw 增强近 α钛基复合材料的锻造工艺优化及航天构件的制造提供试验依据。

1 试样制备与试验方法

采用真空非自耗电弧熔炼炉制备名义成分为3% (体 积 分 数 )TiBw/Ti-6Al-4Sn-10Zr-1Mo-1Nb1W-0.3Si的复合材料纽扣锭,每个纽扣锭的质量为50g,反复熔炼3次以保证成分均匀;对纽扣锭进行650 ℃×8h的退火处理以消除铸造应力。由图1

可知:钛基复合材料中 TiBw 增强相分布不均匀,且长径比较大,TiBw 主要聚集在原始β相晶界处;基体组织中并未观察到晶界 α相和较大 α集束的存在,α相呈细小层片状并杂乱地分布在β晶粒内,这是因为在凝固过程中,较大的过冷度使复合材料中片层α相在β晶粒内部形核长大,同时 TiBw 的添加为片层α相的生成提供了形核质点[18]。