增材制造钛基复合材料组织与性能研究

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采用激光熔覆沉积(laser cladding deposition,LCD)技术成形颗粒增强钛基复合材料,选用TC4钛合金作为复合材料基体,TiB作为增强相。利用金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能谱仪等试验仪器,分析了增材制造钛基复合材料物相组成与组织形貌。使用万能试验机进行拉伸试验,结合拉伸试验结果对复合材料的力学性能进行分析。结果表明,以TiB为增强相的激光熔覆沉积TC4钛合金复合材料,通过XRD试验分析和能谱分析以及EBSD分析可知,复合材料由α相、β相和TiB三相组成。复合材料的基体为TC4钛合金是具有网篮特征的片层组织,随着TiB含量的增加α片层的长度变短,复合材料晶粒细化。同时也可以发现随着TiB含量的增加,TiB分布的更加均匀,对晶粒的细化程度增加。随着TiB含量由0增至1%其晶粒尺寸由1294μm降至28.6μm。复合材料晶粒细化的原因主要与其凝固过程有关,在凝固过程中随着熔体温度的下降,β相先行析出,由于B元素在钛中的溶解度极低,因此B元素会被排斥到熔体中,导致熔体中出现成分过冷,促进TiB形核生成TiB,随着熔体温度的降低,更多的B元素被排斥出来,在固液界面前沿形成溶质富集,导致成分过冷加剧促使更多的TiB析出,TiB在晶界析出对初生β晶粒产生钉扎作用限制其长大,同时随着温度的继续降低β相会转变成α相此时TiB可以作为α相的形核质点,使得α相得到细化。经固溶处理后,可以明显发现复合材料的显微组织,随着固溶温度的增加组织明显得到粗化,其中α相由板条状逐渐变成片状,复合材料的组织最终变成片状α相、网篮α相和β相三种组织构成。对拉伸试验进行分析,可以发现随着TiB含量的增加,复合材料的强度明显增加,塑性降低。强度增加是因为TiB细化复合材料的晶粒,产生细晶强化效果,同时复合材料在变形过程中,TiB会起到载荷传递强化作用,承担周围晶粒传递过来的载荷,使得复合材料的强度得到提升。在变形过程中TiB产生奥罗万强化机制,变形中产生的位错在运动过程中遇到TiB时,会在TiB附近留下位错环,消耗能量使得复合材料可以承受更多载荷。同时研究发现TiB生长方向与受力方向的角度对增强效果也有影响,当TiB生长角度与受力方向夹角为0-45°时,此时TiB起到增强效果,当TiB与受力方向多的夹角为45°-90°时,由于TiB和TC4的弹性模量存在差异,此时容易在TiB和TC4基体之间产生裂纹,因此TiB生长方向与受力方向夹角为45°-90°时,TiB有可能作为裂纹源产生裂纹,导致复合材料断裂失效。对拉伸断口进行分析发现,随着TiB含量的增加,其断裂机制也发生改变,由韧性断裂转变为脆性断裂。结合强度和塑性综合考量当TiB含量为0.5%(wt)时复合材料力学性能最优。经固溶处理后的复合材料强度无明显下降,断后延伸率与未经固溶处理的试样相比有大幅度提升,未经固溶处理B含量为1%(wt)的复合材料其断后延伸率为3.5%,经980℃固溶处理后复合材料的断后延伸率为21%与之前相比有大幅度提升。
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