旋转超声加工对TiBw网状钛基复合材料表面残余应力的影响

为研究不同切削条件下旋转超声加工对材料表面残余应力的影响,选取硼化钛晶须(TiB whiskers,TiBw)网状钛基复合材料为实验对象,使用镍基电铸金刚石砂轮进行旋转超声加工,并分析了加工后材料的表面残余应力。结果表明:由于钛基复合材料具有网状结构和优异的高温性能,使切削热和微观相变产生的残余应力较小,磨粒机械作用产生的残余应力更大。随着超声振动的引入,磨粒高频冲击工件表面,使旋转超声加工工件表面残余应力均大于普通磨削。在主轴转速n=9000 r/min,进给速度v f=8 mm/min,加工深度a p=25μm的加工参数下,旋转超声加工工件表面存在-540 MPa的残余压应力,随着主轴转速增大,残余应力显著减小,并且残余应力的影响层深度逐渐减小。超声振动的引入增大工件表面残余压应力,提高材料抗疲劳性能。

冷喷摩擦复合增材制造制备ZrO_(2)颗粒增强钛基复合材料组织与磨损性能

采用冷喷涂增材制造和冷喷摩擦复合增材制造技术制备了ZrO_(2)颗粒增强钛基复合材料,使用SEM和EBSD等表征了微观组织特征,研究了模拟体液环境下的磨损性能和磨损机制。结果表明:相较于冷喷涂增材制造试样,冷喷摩擦复合增材制造试样中孔洞缺陷消失,组织明显致密化,ZrO_(2)均匀分布于Ti基体中,试样的致密度达99.1%。冷喷摩擦复合增材制造过程中发生了连续动态再结晶,平均晶粒尺寸均匀化至2.5μm。相较冷喷涂增材制造试样,冷喷摩擦复合增材制造试样显微硬度显著提升(由221 HV 0.2提升至544 HV 0.2)。在模拟体液环境下,冷喷摩擦复合增材制造试样具有较低的磨损率(1.09×10^(-3)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1)),表现出较好的耐磨性。磨粒磨损和粘着磨损是冷喷涂增材制造试样的主要磨损机制,而磨粒磨损是冷喷摩擦复合增材制造试样的主要磨损机制。

TiB+TiC含量对锻态钛基复合材料微观组织及力学性能的影响

通过3次真空自耗电弧熔炼、自由锻+旋锻的方式制备了不同TiB+TiC含量的颗粒增强钛基复合材料,研究了TiB+TiC含量对锻态钛基复合材料组织与力学性能的影响。结果表明,添加的B4C在基体中完全反应,TiC为唯一碳化物,TiB为唯一硼化物。经锻造后,钛基复合材料横向组织由球状、片状α相和包围在四周的β相组成,短棒状和块状增强相离散分布,而纵向组织由沿着流变方向被拉长的α相和β相组成,增强相沿着流变方向排列分布。当TiB+TiC含量为5vol%时,钛基复合材料表现出优异的综合性能,抗拉强度达到1291 MPa,延伸率为8.5%,磨损体积较相同工艺制备的TC4钛合金减少25%。当TiB+TiC含量增加到10vol%时,粗大的TiB增强相和微孔缺陷数量大幅增加,钛基复合材料的塑性和耐磨性被削弱。

钛基石墨烯复合材料的分散性、界面结构及力学性能

石墨烯由于独特的结构和优异的力学、导电、润滑等性能,被认为是理想的金属基复合材料的增强体。将石墨烯作为增强体增强钛基复合材料有着巨大的应用潜力。然而,石墨烯的分散性及其与钛基体的反应是制约获得高性能石墨烯增强钛基复合材料的难点。本文综述了钛基石墨烯复合材料的分散性、界面及力学性能的研究进展。钛基石墨烯复合材料通常采用粉末冶金法制备,石墨烯能较均匀地分散于复合材料组织中,但当石墨烯添加量过多时仍会出现团聚现象。石墨烯与钛基体易发生反应生成TiC,通过固化烧结工艺的改进、基体复合化、石墨烯表面改性以及原位自生等方法可以有效地抑制界面反应并提高界面结合力。随着石墨烯含量的增加,钛基石墨烯复合材料的压缩、拉伸强度与硬度一般呈现先增大后减小的趋势。石墨烯增强钛基复合材料的强化机制通常以载荷传递强化为主,但有些情况下由石墨烯引起的位错强化、细晶强化及奥罗万(Orowan)强化效果也较为显著。

石墨烯增强钛基复合材料研究进展

非连续增强钛基复合材料(DRTMCs)具有高比强度、低密度、优异的耐蚀性等诸多特性,在航空航天、国防工业、交通运输等领域具有广泛的应用前景。石墨烯具有良好的本征物理和力学性能,是近年来的二维碳纳米“明星”材料,被视为极具潜力的DRTMCs纳米增强体。国内外研究者聚焦DRTMCs设计与制备,突破了低温快速成型和界面改性等关键技术,初步实现了界面精细调控和微观构型,获得石墨烯在钛基体中的本征增强,制备出强塑性匹配较好的DRTMCs。简要综述近些年来石墨烯增强钛基复合材料的设计方法和制备工艺,探讨界面反应、界面结构、微观构型等关键因素对复合材料力学性能和失效机制的影响规律,并提出石墨烯增强钛基复合材料未来的发展方向。

偏轴载荷下连续SiC纤维增强钛基复合材料的拉伸行为研究

连续SiC纤维增强钛基(SiCf/Ti)复合材料是未来高性能动力装置的关键材料之一。针对SiCf/Ti复合材料中纤维与试样轴向载荷常存在一定偏轴角度的问题,通过室温拉伸、有限元模拟和断口表征研究了偏轴角度对SiCf/TC17复合材料力学性能和失效机理的影响。根据SiCf/TC17复合材料力学性能、断口形貌和应力分布可以定义一个临界偏轴角度,其数值约为1°。结果表明,随偏轴角度的增加,复合材料试样的抗拉强度下降,且当偏轴角度超过临界值时,抗拉强度下降速率增加。复合材料的失效机制与偏轴角度相关,当偏轴角度小于临界值时,试样断口由数个平坦的断面组成,纤维拔出和界面开裂程度都较低,纤维断面基本垂直于轴线,为典型的正应力断裂形貌;当偏轴角度大于临界值时,断口的起伏程度增加,纤维拔出和界面开裂现象都更加明显,部分纤维开始出现剪切断裂,表明拉剪耦合在断裂中起到重要作用。因此,对于SiCf/TC17复合材料轴向试样而言,应将纤维与试样整体的偏轴角度控制在临界值内,以获得有效的性能测试数据。

热处理固溶耦合强化近α钛基复合材料及其制备方法

申请号:CN202410022128.1申请日:2024-01-08公开(公告)日:2024-04-05公开(公告)号:CN117821871A申请(专利权)人:西安稀有金属材料研究院有限公司摘要:本发明公开了一种热处理固溶耦合强化近α钛基复合材料及其制备方法,该方法包括:(1)将近α钛基粉体与炭黑粉末、Ta C和Nb C陶瓷粉末球磨混合;(2)放电等离子体烧结;(3)高温固溶热处理并淬火;(4)时效热处理并冷却;(5)热轧。使用α-Ti稳定元素C和β-Ti稳定元素Ta、Nb作为添加元素,配合采用高温固溶热处理及时效热处理工艺,通过调节增强相的尺寸、形貌和分布实现各部分之间的耦合强化,提高钛合金基体的强度,改善钛合金基体和陶瓷相的物理兼容性,从而提高近α钛基复合材料的力学性能。

GO/Ti基复合材料界面性质的第一性原理研究

目的研究氧化石墨烯在继承石墨烯优异性能的同时,是否会因为官能团的存在而影响复合材料界面的结合方式,抑制脆性相TiC的产生,解决石墨烯作为增强体时易发生界面反应从而影响材料塑韧性的问题。方法根据(0001)_(Ti)∥(0001)_(GO)、[2110]_(Ti)∥[1010]_(GO)界面位向关系,建立了Ti/氧化石墨烯/Ti共格界面模型。采用第一性原理计算方法从电子原子尺度研究了环氧基和羟基对Ti/氧化石墨烯/Ti界面黏附功、界面能、原子结构和电子结构的影响。结果环氧基和羟基都会使界面黏附功变大,界面能减小,形成结合更强、更稳定的界面,其中环氧基的贡献更大。官能团附近的Ti原子与氧化石墨烯中C原子的结合能力减弱。在形成界面时,氧化石墨烯被还原,环氧基和羟基中的O原子与Ti基体会发生反应生成固溶体,羟基中的H原子可能保持与O原子之间的相互作用,也可能会脱离O原子的束缚与Ti基体有相互作用。结论当氧化石墨烯和Ti基体形成界面时,氧化石墨烯的官能团会固溶在Ti基体中,抑制界面产物脆性相TiC的产生,石墨烯的片层结构更容易被保留,形成界面结合更好的复合材料。

镀镍石墨烯/钛复合材料界面力学行为的分子动力学研究

目的研究拉伸载荷下镀镍石墨烯/钛复合材料界面的应力-应变行为。方法采用分子动力学模拟方法,建立了镀镍石墨烯/钛复合材料界面的单晶模型,研究了不同方向拉伸载荷下材料的力学行为。结果镀镍石墨烯复合材料的力学性能随着镀层厚度的增大而提高,镀层镍可以作为位错源使复合材料的位错密度提高,镀层镍塑性变形的滞后使镀镍石墨烯/钛复合材料具有更高的塑性变形能力。结论材料的力学性能更多依赖于镀镍层数,随着镀层厚度的增大,镀镍石墨烯/钛复合材料表现出了更高的抗拉强度,但界面处的裂纹和空洞数量也有所增加,材料的延伸率有所下降。

TiB、TiC和Y_(2)O_(3)增强钛基复合材料的蠕变行为和组织演变

采用感应熔炼法制备(TiB+TiC)和(TiB+TiC+Y_(2)O_(3))增强钛基复合材料。蠕变试验在650℃和120~160 MPa下进行,通过XRD、SEM和TEM对铸态试样和蠕变试样的显微组织演变进行详细表征。结果表明,两种复合材料的铸态组织均为网篮组织。在相同的蠕变条件下,添加Y_(2)O_(3)的复合材料具有更低的稳态蠕变速率。蠕变后,在α/β界面、溶解的β相和增强体周围有硅化物析出,这些硅化物对位错有很强的钉扎作用。因为存在贯穿TiB晶须的层错结构,所以TiB周围的硅化物尺寸明显大于TiC和Y_(2)O_(3)周围的硅化物尺寸。蠕变变形主要受溶质阻力控制,位错运动还受到α/β界面、增强相和硅化物的影响。

耐热钛基复合材料制备加工及应用综述

钛合金以其高比强度、高比刚度以及耐高温性能备受航天航空等领域的青睐。合金化手段已无法使钛合金突破600℃服役温度瓶颈,无法满足超高速飞行器及新型航空发动机等航空航天装备更高服役温度需求。向高温钛合金中原位引入多元多尺度的陶瓷增强相,精准控制其形成特定构型结构是实现更为优异高温性能的有效途径之一。这种新型材料也被称为耐热钛基复合材料,其使用温度较传统钛合金可提高50~200℃,受到广泛关注。本文针对耐热钛基复合材料的研制,从复合构型设计及制备、近净成形加工技术(增材制造、精密铸造、等温超塑性成形)及高温力学性能等方面,全面综述了以上研究进展及应用现状,并提出该材料目前存在问题以及未来发展方向。

基于声发射的TiB/TC4复合材料塑性变形缺陷检测

目的钛基复合材料塑性差,断裂机制复杂,研发准确的缺陷在线检测技术对控制其服役过程的破坏风险和成形过程的零件质量具有重要意义。方法提出了基于声发射的TiB/TC4复合材料塑性变形缺陷检测方法,首先进行3种不同应力状态TiB/TC4复合材料试样的单轴拉伸试验,以采集声发射信号,通过断口形貌分析其断裂机制,并使用谱聚类方法对声发射信号进行聚类分析,探寻声发射信号与断裂机制之间的关系。结果通过谱聚类可将TiB/TC4复合材料塑性变形过程中的声发射信号分为低频连续和高频突发2类,其质心频率以600~650 kHz为分界。根据断口形貌分析将其分别对应为TC4基体晶粒内位错运动与晶界处增强相TiB颗粒断裂。TiB颗粒断裂的声发射信号占比随着应力三轴度的增大而提高。TC4基体晶粒内位错运动的声发射信号为低频、连续信号,而TiB断裂的声发射信号为高频、突发信号。结论TiB/TC4复合材料塑性变形过程中的声发射信号源机制包括TC4基体晶粒内的位错运动与晶界处增强相TiB颗粒的断裂,通过谱聚类不仅能有效检测TiB/TC4复合材料塑性变形缺陷的产生,还能识别缺陷的形成机制。

原位合成的钛合金@CNTs粉体SPS制备TiC/Ti复合材料的微结构与性能

以Fe/Ni为催化剂,利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在球形钛合金微米粉体表面原位合成了碳纳米管(CNTs)包覆的钛合金(钛合金@CNTs)复合粉末。以钛合金@CNTs粉体为原料,利用放电等离子体烧结(SPS)工艺制备了原位TiC与CNTs增强Ti基复合材料,采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、电子探针、纳米压痕等对复合粉体及烧结复合材料的微观结构、物相成分及力学性能进行了表征分析。在此基础上探讨了催化剂前驱体含量、生长时间等对低温原位CNTs生长机理的影响,以及复合粉体烧结反应对复合材料组织结构的形成以及CNTs与Ti基体反应原位形成TiC的机理。结果表明,原位形成的TiC主要受CNTs的结晶度与SPS温度所影响。

原位TiB/凹凸棒石矿物双相增强Ti基复合材料的制备及其摩擦学性能

以Ti、Al、B和凹凸棒石矿物粉体为原料,利用放电等离子烧结(SPS)工艺制备了原位TiB/凹凸棒石矿物双相增强Ti基复合材料,借助扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、显微硬度计和纳米压痕仪等研究了凹凸棒石矿物对原位Ti基复合材料微观组织、物相结构、增强体形态与分布以及微纳力学性能的影响,采用SRV滑动磨损试验机考察了其在油润滑条件下的摩擦学性能,探讨了凹凸棒石改善原位Ti基复合材料力学及摩擦学性能的作用机制.结果表明,SPS工艺制备的原位TiB/凹凸棒石矿物双相增强Ti基复合材料组织致密,原位自生TiB增强体分布均匀,凹凸棒石矿物对复合材料基质相具有明显的细晶强化作用.在摩擦过程中复杂的物理和化学作用下,凹凸棒石矿物与复合材料中的Ti、Al以及对偶钢球的Fe等元素发生摩擦化学反应,在摩擦表面形成了由金属氧化物、二氧化硅、石墨和凹凸棒石矿物等构成的减摩自修复层,从而使钛基复合材料表现出优异的摩擦学性能.

原位合成TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的研究进展

原位合成TiB和TiC混杂增强钛基复合材料凭借其高比强度、高比刚度、低密度、优异的耐腐蚀性和耐热性等受到广泛关注。从基体与增强体的选择、引入方法、反应体系、微观形貌以及力学性能等方面,综述了目前原位合成TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的研究现状,并对其未来发展进行展望。

高温钛合金及钛基复合材料增材制造技术研究现状

高温钛合金及钛基复合材料因具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀、耐高温等优异性能,近几年来受到了广泛的关注。钛基复合材料的力学性能往往与增强相组织有关,增材制造技术的快速凝固可以使颗粒增强钛基复合材料中晶粒细化,力学性能得到提升。本文综述了高温钛合金及钛基复合材料的研究进展,分析了增强相组织对材料力学性能的影响,总结了增材制造技术制备钛基梯度功能材料的应用。通过增材制造技术制备钛基复合材料不仅可以提高复合材料的硬度和强度,还可以提高复合材料的延展性,采用增材制造技术制备高性能钛基复合材料将会成为未来的发展趋势。

纳米碳强化钛基复合材料界面结构与性能优化研究进展

钛及钛合金材料因其密度低、比强度高、耐腐蚀性能好等优异特性,在航空航天、汽车和军事等领域具有广阔的应用前景。近10年来,以石墨烯为代表的碳纳米材料由于具有超高的力学特性和独特的二维结构,广泛用作钛或钛合金基体的增强体。然而,纳米碳源的团聚现象以及严重的界面反应使纳米碳强化钛基复合材料的力学性能提升有限。随着对纳米碳强化钛基复合材料制备方法和工艺的深入探索,在其界面-组织-性能关系和强化机制等方面取得了一系列研究进展。在纳米碳强化钛基复合材料的制备过程中,必须从各个方面(如工艺特点、适用范围和应用要求等)衡量,选择合适的制备工艺,并通过界面结构设计优化来进一步改善基体组织,提高钛基复合材料力学性能。因此,系统性介绍近年来纳米碳强化钛基复合材料的制备工艺和纳米碳材料的表面改性及其应用,并对纳米碳强化钛基复合材料的界面结构调控和强化机制进行分析讨论,指出现阶段其制备、性能优化等方面存在的问题,并对其未来发展趋势进行展望。以期对以后纳米碳强化钛基复合材料的发展和应用提供一定的指导和借鉴。

石墨烯增强钛基复合材料界面调控及强韧化机理研究进展

高超声速飞行器等航空装备的快速发展对钛合金综合性能及应用水平提出更高要求。采用传统热工艺技术制备钛合金的性能已经接近或达到理论极限。传统技术很难大幅提高钛合金的综合性能,探寻石墨烯技术改性钛合金成为一个重要发展方向。然而,钛合金中石墨烯的界面反应控制难度大,如何获得具有良好结合强度的石墨烯/钛界面是石墨烯增强钛基复合材料性能提升的基础与关键。本文在分析制约石墨烯增强钛基复合材料发展系列问题基础上,重点介绍石墨烯增强钛基复合材料微观组织、界面特征以及静态/动态力学性能、摩擦磨损、抗氧化性能和石墨烯强韧化机理等方面的研究进展,探讨现阶段解决石墨烯增强钛基复合材料分散均匀性、界面结合性和组织致密性的方案和优缺点,最后指出该类型材料在界面调控、大规模制备和性能稳定性等方面技术面临的挑战,并提出该类型材料发展应与理论计算技术、先进制备技术和特种功能应用相结合,深化界面优化设计和可控制备,拓宽应用领域。

颗粒增强钛基复合材料磨削试验与仿真研究

采用单层钎焊CBN砂轮开展了颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)磨削试验,对比研究了在磨削TC4钛合金和PTMCs时,磨削用量对磨削力与磨削温度的影响规律,利用有限元仿真研究了PTMCs材料去除演变过程。结果表明,磨削过程中PTMCs的磨削力较TC4增加了15%~30%,磨削温度提高了7%~11%,PTMCs比TC4钛合金更难加工;PTMCs材料去除过程为TC4基体材料的延性去除和Ti C增强颗粒的脆性去除,脆性去除形成了磨削表面孔洞缺陷;当磨削速度从120 m/s降到20 m/s时,磨削表面孔洞缺陷深度由0.8μm增至3.5μm,增加了约3.4倍;提高磨削速度可以降低增强颗粒脆性去除对PTMCs磨削表面孔洞缺陷的影响程度。

镀铜时间对壳核结构钛基粉体形貌及复合材料组织和硬度的影响

采用磁控溅射技术制备了铜层均匀致密的壳核结构复合粉末(Cu@TC4复合粉末),采用放电等离子烧结(spark plasma sintering, SPS)技术制备了原位Ti_(2)Cu增强的TC4复合材料(Ti_(2)Cu/TC4复合材料)。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、金相显微镜(OM)和电子探针等手段系统研究了镀铜时间对Cu@TC4复合粉末截面形貌和烧结态Ti_(2)Cu/TC4复合材料微观组织的影响规律,并采用维氏硬度仪对Ti_(2)Cu/TC4复合材料的显微硬度进行测试。结果表明:TC4钛合金粉末经过磁控溅射镀铜后,TC4钛合金粉末表面明显包裹了一层Cu,溅射时间为1 h时,镀层厚度为0.7μm;当溅射时间为4 h时,镀层厚度随之增加至3.7μm;较溅射1 h所得镀层厚度增加428%,镀层均匀致密,形成壳核结构。随着镀铜时间的增加,烧结态Ti_(2)Cu/TC4复合材料的OM显微组织由魏氏组织转变为魏氏组织与共析组织混合的形貌特征,复合材料的显微硬度也随之增加,由原始的HV_(1) 332.56增加到HV_(1) 380.52,提高了约14.4%,显微硬度提升的原因可归结为分布在基体中的Ti_(2)Cu纳米颗粒导致的弥散强化。