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颗粒增强钛基复合材料基体相与增强相的选择

   2015-07-20 IP属地 陕西29440
  近年来,基复合材料发展很快,但作为一种昂贵的新型材料,尚处于发展之中。如何降低制备成本成为钛基复合材料走向广泛市场应用的关键之一。连续纤维增强钛基复合材料虽然在航天航空领域显示出它巨大的应用潜力,但因其昂贵而复杂的制备过程以及性能上的各向异性,使它难以推广应用。与之相比,颗粒增强钛基复合材料由于具有各向同性、制备较简单、易加工成型、成本较低等特点,受到人们的关注,成为新的研究热点。
  发展颗粒增强钛基复合材料,首先应对基体相和颗粒增强相有正确的选择。复合材料设计中很重要的一点是要保证基体和强化相之间有很好的化学和力学相容性。也就是要防止基体和增强相之间发生化学反应。因为反应使得增强相退化,降低强化效果,同时由于反应引起的局部体积变化和反应生成的脆性相而严重影响复合材料的强度。除此之外,基体和增强相的热膨胀系数如相差较大,当增强相的热膨胀系数大于基体时,会在界面上形成拉应力,容易在界面上形成裂纹,最终导致材料的破坏。
  颗粒增强钛基复合材料的基体主要有α-Ti、β-Ti和(α+β)-Ti,其中α-Ti弹性模量小,在成形加工中回弹大,冷加工性能较差;β-Ti在高温下原子扩散系数较大,合金的抗高温蠕变性能下降。在钛合金中,由于Ti-6Al-4V有很高的强度、高的断裂韧性以及良好的高温加工性能,因此是一种较好的基体材料,而且基体的热膨胀系数可以通过添加适当的合金元素进行调整。目前,Ti-6Al-4V被认为是钛基复合材料较为合适的基体材料。
  增强相的选择对于复合材料的性能非常重要。颗粒增强钛基复合材料中颗粒增强相的体积分数一般在5%~20%。增强相的主要作用是提高材料的耐磨性能、硬度、高温性能和抗蠕变性能,所用的增强相通常是一些高熔点、高硬度、高耐磨性的金属陶瓷、金属间化合物和氧化物。理想的增强相应具有2个条件,第一,刚性、强度、硬度等物理或力学性能优良;第二,高温稳定性好,与钛合金基体的热膨胀系数差别小。
  通过长期的研究,人们认为对于钛基复合材料较为理想的颗粒增强相主要有以下几种:SiC,TiC,B4C,Ti2B,TiB和ZrB2等。对各种增强相的对比研究表明,硬度由大到小的顺序为TiB,CrB>B4C>SiC>Ti5Si3;残余应力由大到小的顺序为CrB>SiC>B4C>Ti5Si3>TiB;与钛结合的化学稳定性由大到小的顺序为TiB>Ti5Si3>CrB>B4C>SiC,由此可见,TiB是一种较为理想的钛基增强相。
  复合材料的强化效果取决于将应力从基体转移到高强度增强相的能力。因此获得一个强的基体/增强相的结合界面十分重要。多数资料报道TiB和TiB2在钛合金中很稳定,颗粒与钛合金基体间不发生反应,属于非反应体系。TiC与钛合金基体间存在一定程度的界面反应,但反应较简单。Ti2B作为颗粒增强相,由于与钛完全相容而引人注目,但是近年来的一些研究发现Ti2B会和Ti发生反应生成TiB。TiB2在TiAl基体中稳定性最好。
 
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