通过冷热处理方法来改变新型钛基复合材料的拉伸与断裂韧性能

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钛及钛合金具有各种优良性能（密度小，比强度高，耐腐蚀，耐高、低温性能好，无磁，无毒），成为航空航天应用的优秀材料，有着“飞行金属”的美称。然而，高速飞机需要高强度和高韧性的材料。β钛合金由于其高的热处理性、深淬透性和体心立方结构所赋予的固有延展性而成为优良的新材料。添加少量硼和碳的钛合金因其弹性模量，拉伸和磨损性能优于传统钛合金，引起了人们的极大兴趣。这种钛合金含有少量TiB晶须（TiBw）和TiC颗粒（TiCp），可以显着改善基体的微观结构。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学陈玉勇教授以及肖树龙副教授（共同通讯作者），第一作者杨建辉博士，在Mater． Sci． Eng． A发表一篇题为“The tensile and fracture toughness properties of a （TiBw＋ TiCp）／Ti–3．5Al–5Mo–6V–3Cr–2Sn–0．5Fe composites after heat treatment”的文章。该团队探讨了新型（TiBw ＋ TiCp）／Ti－3．5Al－5Mo－6V－3Cr－2Sn－0．5Fe复合材料经800℃，1h固溶处理后空冷并分别在440℃，480℃和520℃保持8h时效处理并空冷后的拉伸和断裂韧性性能，建立了合金组织与力学性能之间的关系。固溶处理后的极限拉伸强度和屈服强度分别下降了12．5％和11．3％。然而，时效热处理后强度显著提高。在440℃时效处理后达到最高的极限拉伸强度为1521MPa，伸长率为7．2％。在480℃时效处理后极限KIC值是65MPa m1／2。（TiBw ＋ TiCp）增强体沿变形方向成流线型，增强了强度和疲劳韧性。增强体通过阻止裂纹扩展和延长扩展路径并增加吸收的冲击能量来提高断裂韧性。

【图文导读】

表一 Ti–3．5Al–5Mo–6V–3Cr–2Sn–0．5Fe成分

Element	Al	Mo	V	Cr	Sn	Fe	Ni	Si	Ti
Contents（％）	3．673	4．752	5．856	3．166	1．374	0．54	0．031	0．119	Bal

图1 锻造钛合金基体复合材料的SEM图

（a）含有αp晶界的β晶粒；

（b）TiB和TiC增强材料的分布；

（c）（b）中点1的能谱；

（d）（b）中点2的能谱。

图2 （TiBw ＋ TiCp）增强体的分布图

（a）低倍放大的锻造复合材料；

（b）800℃，1h固溶处理后空冷，接着480℃，8h时效处理后空冷的（TiBw ＋ TiCp）增强体分布；

（c）（b）的高放大倍数形貌。

图3 不同热处理复合材料的SEM图

（a）800℃，1h固溶处理后空冷；

（b）800℃，1h固溶处理后空冷，接着440℃，8h时效处理后空冷；

（c）800℃，1h固溶处理后空冷，接着480℃，8h时效处理后空冷；

（d）800℃，1h固溶处理后空冷，接着520℃，8h时效处理后空冷。

图4 不同热处理复合材料的拉伸性能图

800℃固溶处理／空冷后，粗晶边界缺少αp相，强度降低；时效处理后，二次α相析出，强度增加。

图5 不同热处理复合材料的断裂韧性图

800℃固溶处理／空冷后，粗晶边界缺少αp相，断裂韧性降低；时效处理后，αs相析出，且时效温度越高，αs越粗大，更少产生应力集中，抗断裂韧性越强。

图6 在800℃，1h固溶后空冷，440℃，8h时效后空冷复合材料的TEM图

（a）αs的显微照片；

（b）αs附近的高密度位错。

图7 裂纹沿裂纹扩展方向的组合腐蚀微观结构图

（a）裂纹中断裂的TiB晶须；

（b）和（c）沿着裂纹扩展的裂纹路径；

（d）（a）的局部放大图。

图8 钛合金基复合材料在520℃／8h时效／空冷时，裂纹附近微观结构图

（a）无腐蚀下传播路径断裂裂纹；

（b）缺口附近的裂纹中的断裂表面；

（c）裂纹中的TiB晶须；

（e），（f）和（g）裂纹附近（TiBw ＋ TiCp）增强物在腐蚀与不同尺度下的分布。

【小结】

本文设计了一种添加了少量的B和C近β型钛合金的新的“钼当量”变形体，研究了热处理对复合材料组织和力学性能的影响。得出时效热处理可大大提高复合材料的强度和疲劳韧性的结论。在480℃／8h时效／空冷时，最高抗拉强度为1521 MPa，是锻造合金的1．7倍，延伸率为7．2％。极限KIC值为65 MPa·m1／2。αs的大小对强度和断裂韧性有相反的作用，相对较细的αs有利于强度但不利于断裂韧性，对粗晶粒反之亦然。（TiBw ＋ TiCp）增强体增强了强度和疲劳韧性，并通过阻止裂纹扩展来延长扩展路径，增加吸收冲击能量来改善断裂韧性。