高性能钛基复合材料制备.pdf

Fabrication of TiNb-Based Composites with High Strength and Plasticity Based on Crystallization Theory A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate：Liu LeHua Supervisor：Prof. Yang Chao South China University of Technology Guangzhou, China 摘 要 现代工业的发展对钛合金的强度与塑性提出了更为苛刻的要求。通过快速凝固法制 备的纳米晶/树枝晶结构钛基复合材料由于尺寸较小限制了其作为工程材料的应用。众 所周知，等轴晶结构的超细晶材料具有较高的强度与塑性。非晶晶化法是纳米晶/超细 晶材料的重要制备方法，然而，铸造法制备的大块非晶合金晶化后通常具有较低的强度 与塑性。有鉴于此，本文基于非晶晶化理论，以TiNb-基合金体系为研究对象，研究了 机械合金化下条件下制备的非晶合金粉末的放电等离子烧结致密化行为、晶化机制对块 状复合材料结构性能的影响，制备参数对烧结和晶化的块状复合材料结构性能的影响， 以及采用非晶晶化法制备高强韧钛基复合材料的合金成分设计准则，为高强韧钛合金的 制备提供理论指导。 首先，通过机械合金化制备出 Ti40.6Zr9.4Cu37.5Ni9.4Al3.1 非晶合金粉末，其过冷液相 区宽度为98K 。通过对比研究退火获得的晶态合金粉末，发现在放电等离子烧结过程中 非晶态合金粉末存在一个快速粘性流动的致密化过程，而退火的晶态合金粉末烧结过程 中不存在这一现象。此外，高升温速率通过降低非晶态合金粉末的粘性流动激活能从而 促进其致密化过程，但升温速率对晶态合金粉末的致密化过程影响较小。非晶态合金粉 末通过粘性流动实现致密化这一独特现象，为在较低温度下制备近全致密的纳米晶/超 细晶块状材料提供了理论支持。 随后，通过机械合金化制备出 Ti Nb Cu Ni Sn 非晶态合金粉末，利用 64 12 11.2 9.6 3.2 Johnson–Mehl–Avrami 方程，揭示了不同升温速率对非晶态合金粉末晶化机制的影响规 律。研究结果表明，Avrami 指数n 值表明在不同的晶化阶段非晶合金粉末具有不同的 晶化机制。此外，在不同升温速率下其具有不同的晶化机制，随着升温速率由10 K/min 增大到40 K/min ，Avrami 指数n 值由1.9 向2.0 、2.5 和2.9 转变，表明对应的形核速率 由降低向不变、再向增大转变。实验结果首次从晶化动力学的角度阐释了晶化过程中非 晶合金粉末的晶化机制与晶化后获得的块状合金微观结构的内在关系，为纳米晶/超细 晶块状材料的制备和烧结工艺的选择提供了理论支持。 其后，利用放电等离子烧结技术固结不同球磨时间（具有不同非晶相含量）的 Ti Nb Cu Ni Al 合金粉末，发现不同球磨时间的合金粉末经固结后获得的块状复合 66 13 8 6.8 6.2 材料的相组成相同：β-Ti 相+(Cu,Ni)-Ti2 相，然而，其呈现出不同的形貌及其分布。随 着球磨时间增加，块状合金中板条状魏氏结构基体相逐渐减少，等轴晶结构相不断增多， I 且块状复合材料的屈服强度没有明显变化（均为 1450MPa 左右），而断裂强度和断裂 应变不断增大，由纯非晶态的合金粉末经烧结和晶化后，获得的块状复合材料断裂强度 和断裂应变最大，分别为 2350MPa 和 28.5% 。研究结果回答了烧结过程中合金粉末为 什么要机械合金化到纯非晶态的原因。 最后，在Ti70Nb30 合金成分基础上，通过适当的添加Fe 、Co 或Cu、Ni 等元素， 制备出一系列的非晶态合金粉末，经烧结和晶化后获得的块状复合材料均展示出极高的 断裂强度与断裂应变。其中，Ti Nb Co Fe 和Ti