激光熔化沉积TiC/TC4复合材料热-流行为及陶瓷颗粒分布状态

颗粒增强钛基复合材料在航空航天等领域具有广阔的应用前景,采用仿真与试验相结合的方法,对激光熔化沉积TiC/TC4复合材料过程中的热-流行为和沉积层中陶瓷颗粒的分布状态进行了研究.结果表明,工艺参数对熔池的热-流行为及沉积层形貌具有显著的影响,熔池表面的流体流动呈波纹状,熔融金属从熔池中心向四周流动;熔池底部等温面上熔融金属从四周流向熔池底部,并出现漩涡现象.在激光熔化沉积过程中,TiC颗粒穿透熔池表面的Marangoni对流区,在熔池中与流体交互作用,最终在沉积层中出现沉积层中上方部位团聚、沉积层中下方部位团聚、沉积层中均匀分布等分布状态.

深冷处理时间对激光粉末床熔化沉积TiC/TC4钛基复合材料组织演变及力学性能的影响

目的探明不同深冷处理时间对TiC/TC4钛基复合材料组织演变及其力学性能的影响规律,分析TiC/TC4钛基复合材料在深冷环境下的使用性能。方法利用低能球磨法得到石墨烯(GNPs)/TC4复合粉末,采用激光粉末床熔化沉积法制备TiC/TC4钛基复合材料,通过液氮浸泡法进行不同时间的深冷处理,然后恢复至室温进行拉伸试验。结果深冷处理过TiC/TC4钛基复合材料的拉伸强度均高于深冷处理过TC4合金的拉伸强度,断裂韧性却得到不同程度削弱。结论原位自生TiC的载荷传递作用可以增强TiC/TC4钛基复合材料在拉伸变形过程中的变形能力,使复合材料的拉伸强度得到提高;随深冷时间的持续延长,冷应力不仅会导致TC4合金原始细长针状马氏体断裂,还会驱使TiC/TC4钛基复合材料陶瓷增强相TiC发生不同程度的偏聚。此外,深冷处理后TiC/TC4钛基复合材料产生的晶格畸变现象会降低α-Ti基体一侧的应变值,使复合材料晶格畸变区域应变不均匀分布,弱化TiC/TC4钛基复合材料晶格畸变区域原子的变形协调能力,导致TiC/TC4钛基复合材料的断裂韧性值相对低。

激光熔覆制备TC4基复合药型罩材料的力学性能

为了提高TC4药型罩的侵彻性能,将激光熔覆制备工艺用于TC4复合药型罩材料的制备。选用TA15+30%(质量分数,下同)TiC粉、TA15+20%Cr_3C_2粉和TA15+15%B_4C粉作为TC4基体的熔覆材料。采用XRD、扫描电镜和显微硬度测试、准静态压缩实验、SHPB动态压缩实验以及3点弯曲实验方法,研究熔覆层与基体界面处微观形貌、熔覆层硬度变化情况以及3种复合材料的力学性能。结果表明:TC4基体与3种材料都能形成完全冶金结合,TC4-(TA15+TiC),TC4-(TA15+Cr_3C_2)和TC4-(TA15+B_4C)材料的强度均高于TC4基体材料,塑性略差;TC4-(TA15+TiC),TC4-(TA15+Cr_3C_2)材料的抗弯强度分别为168 MPa,101 MPa,均高于TC4基体材料的45 MPa。

应变率和温度对TC4_(网)/Al复合材料动态压缩性能的影响规律

以TC4钛合金纤维为增强体,5A06铝合金为基体,采用压力浸渗法制备二维连续纤维网增强铝基复合材料(TC4_(网)/Al)。利用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆对TC4_(网)/Al复合材料分别进行准静态压缩和动态压缩,研究复合材料在室温和高温下的压缩性能。结果表明:该复合材料不论在室温还是高温均表现为正向应变率效应。对复合材料进行准静态压缩(应变率≤1 s^(-1)),当试验温度≤100℃时,试样均沿与轴向约呈45°方向的斜面发生破坏;试验温度≥250℃时,试样没有破坏而发生鼓肚变形。动态压缩(应变率为1500 s^(-1))时,无论在室温还是高温下,该复合材料均未发生破坏。

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。

Mg-Gd-Zn高稀土镁基复合材料的变形行为

通过半固态搅拌铸造和热挤压工艺制备了TC4(Ti-6Al-4V)颗粒增强Mg-13Gd-5Y-2Zn-1Mn镁基复合材料,采用光学显微镜、扫描电镜、单轴压缩试验和三点弯曲试验分析了其显微组织及变形行为。结果表明,在挤压过程中,TC4颗粒阻碍了其周边晶粒的动态再结晶过程和长周期堆垛有序(LPSO)相的变形,晶粒的织构方向发生改变,在基体内形成了LPSO相、TC4颗粒、再结晶晶粒和变形晶粒组成的不同区域。复合材料的压缩性能相较于基体材料得到了较大提升,其压缩屈服强度和极限抗压强度可达到450和637 MPa,压缩应变为10.1%。在压应力作用下,复合材料内出现以<1120>86°孪晶为主的大量变形孪晶,产生了较强的孪晶强化。

激光增材制造高温合金原位增强钛合金复合材料的组织与力学性能

采用激光选区熔化成形(selective laser melting,SLM)技术制备TCGH(TC4+GH4169)复合材料,探究TCGH钛合金复合材料的最佳成形工艺参数,并研究沉积态试样和热处理试样的显微组织与力学性能。结果表明:TCGH钛合金复合材料的最佳工艺参数为扫描速率900 mm/s、激光功率150 W,致密度达到99.5%以上。GH4169粉末的添加改变了TC4钛合金材料的固态相变行为,沉积态组织呈现明显高温凝固特征,使得逐行扫描搭接和逐层扫描堆积成形特征变得明显,沿打印方向原始粗大柱状β晶粒尺寸明显减小,复合材料抗拉强度提升。与沉积态试样相比,950℃热处理后,试样显微组织转变为近等轴组织,同时随着热处理温度上升,第二相的回溶导致复合材料的固溶强化作用占主导地位,使得复合材料抗拉强度和塑性均得到提升。

C/C复合材料与TC4合金钎焊接头的组织与性能分析

在钎焊时间3～30min，钎焊温度860-1000℃的条件下，采用AgCuTi钎料对C／C复合材料和TC4合金进行了钎焊试验。利用扫描电镜及EDS能谱分析的方法对接头的界面组织及断口形貌进行了研究。结果表明，接头界面结构为C／C复合材料／TiC＋C／TiCu＋TiC／Ag（s．s）＋Ti3Cu4＋TiCu／Ti3Cu4／TiCu／Ti2Cu／Ti2Cu＋Ti（s．s）／TC4。由压剪试验测得的接头抗剪强度结果可知，在钎焊温度910℃，保温时间10min的条件下，接头获得的最高抗剪强度为25MPa。接头的断口分析结果表明，接头断裂的位置与被连接界面的碳纤维方向有关，当碳纤维轴平行于连接面时，断裂发生在复合材料中；当碳纤维轴垂直于连接面时，断裂主要发生在复合材料与钎料的界面处。

SiO_(2f)/SiO_2复合材料与TC4,Ti_3Al和TiAl的钎焊

在880℃/10min规范下,采用AgCuTi活性箔带钎料完成了SiO2f/SiO2/TC4,SiO2f/SiO2/Ti3Al和SiO2f/SiO2/TiAl三种接头的连接,每种接头界面均结合良好。接头显微组织结果表明,三种接头组织形貌较为相似,均在靠近SiO2f/SiO2母材的界面处形成了一层薄薄的扩散反应层组织,在该组织中出现了Ti和O的富集。分析认为,钎焊过程中钎料中的Ti会优先向SiO2f/SiO2母材边缘扩散,同时,金属母材中的元素在液态钎料的作用下不断向钎缝中溶解,其中一部分母材中的Ti也会向复合材料母材边缘扩散,两种不同来源的Ti共同与SiO2发生反应生成Ti-O相,根据三种接头扩散层中Ti和O的原子比例推断Ti-O相为Ti2O。三种接头的钎缝基体区主要由白色组织和灰色组织共同组成,其中白色组织中富含Ag,主要以Ag基固溶体形式存在,而灰色组织中富含Ti和Cu,二者结合生成Ti-Cu组织。

C/C复合材料与TC4钎焊接头的组织与断裂形式分析

在钎焊时间10min，钎焊温度820～900℃的条件下，采用AgCu钎料对C／C复合材料和TC4进行了钎焊试验。利用扫描电镜、X射线衍射分析仪、EDS能谱分析仪对接头的界面组织及断口形貌进行了研究。结果表明，C／C复合材料与TC4连接接头的界面结构为C／C复合材料／TiC＋C／TiCu／Ag（s．s）＋Cu（s．s）＋Ti3Cu4／Ti3Cu4／TiCu／Ti2Cu／Ti2cu＋Ti（s．s）／TC4。由压剪试验测得的接头抗剪强度可知，在钎焊温度850℃，保温时间10min的钎焊条件下，接头获得的最高抗剪强度达到38MPa。接头的断口分析表明，接头的断裂位置与被连接处碳纤维方向和钎焊温度有关。当碳纤维轴平行于连接面时，断裂发生在复合材料中。当碳纤维轴垂直于连接面时，若钎焊温度较低，断裂发生在C／C复合材料／钎料界面处；若钎焊温度较高，断裂主要发生在C／C复合材料／钎料界面和钎料／TC4界面处。

钎焊工艺参数对C/C复合材料/Cu/Mo/TC4钎焊接头微观组织的影响

在钎焊温度为820～940℃,钎焊时间为1～30min的条件下,采用TiZrNiCu钎料、Cu/Mo复合中间层对C/C复合材料和TC4进行了钎焊实验。利用扫描电镜及能谱仪对接头的界面组织进行了研究。结果表明:在较低工艺参数下,Cu/C/C复合材料界面结构为Cu/Cu51Zr14/Ti2(Cu,Ni)+Ti(Cu,Ni)+TiCu+Cu2TiZr/TiC/C/C复合材料。随着工艺参数的提高,TiCu和Cu2TiZr反应相逐渐消失,Ti(Cu,Ni)2新相生成,此时的界面结构为Cu/Cu51Zr14/Ti2(Cu,Ni)+Ti(Cu,Ni)+Ti(Cu,Ni)2/TiC/C/C复合材料。钎焊工艺参数较高时界面结构为Cu/Cu51Zr14/Cu(s.s)+Ti(Cu,Ni)2/TiC/C/C复合材料。随着钎焊温度的增加以及保温时间的延长,界面反应层Cu51Zr14和TiC反应层厚度增加。

电解液对TiC/TC4复合材料微弧氧化膜组织及耐磨性的影响

采用微弧氧化技术在TiC/TC4(Ti6Al4V)复合材料表面制备陶瓷膜。在NaAlO_2和NaH_2PO_2两种溶液体系中,研究添加Cr_2O_3对两种体系下微弧氧化膜组织、形貌及耐磨性的影响。结果表明:在NaH_2PO_2电解液中形成的膜层为金红石型和锐钛矿型TiO_2,而在NaAlO_2电解液中除了生成TiO_2外,还有Al_2TiO_5、γ-Al_2O_3生成。加入Cr_2O_3后,膜层出现大量Cr_2O_3相。所制备的微弧氧化膜,其耐磨性较基体略有提高。电解液中加入Cr_2O_3后,复合膜的摩擦系数均降低,耐磨性较基体明显提高。在NaAlO_2-Cr_2O_3中形成的复合膜只发生粘着磨损,而且耐磨性最好。而在NaH_2PO_2-Cr_2O_3电解液中,形成的复合膜出现粘着磨损和少量磨粒磨损。

TC4钛合金/2205DSS复合材料界面组织的研究

采用真空扩散连接技术制备TC4钛合金/2205双相不锈钢(DSS)复合材料,利用OM、SEM、EDS和XRD对结合区的显微组织和物相进行分析,并测试剪切强度和显微硬度。结果表明:1 150℃保温60 min的TC4/2205复合材料界面结合良好,焊接缺陷较少,结合区由4个新相层组成,厚度约为350μm;A层为富Fe、Cr的β-Ti固溶体,B层为β-Ti、FeTi和少量NiTi,C层出现Fe2Ti和Cr2Ti相,D层为γ-Fe(Ti);新相层的显微硬度显著高于基体,C层硬度出现峰值,为(775±20)HV。

镍夹层添加对激光熔丝增材制造钛/钢金属复合材料界面组织与性能影响研究

针对钛/钢复合材料增材制造过程中易形成脆性Ti-Fe金属间化合物、恶化界面性能的问题。选择镍(ERNi-1)作为夹层,采用激光熔丝增材制造技术实现了TC4/309L复合材料的一体化制备。重点分析了Ni夹层添加对于界面组织与性能的影响,结果表明:添加Ni夹层的钛/钢复合材料的界面主要由Fe/Ni界面和Ti/Ni界面组成。其中,对于Fe/Ni界面Fe和Ni形成了无限固溶体,且未发现明显的裂纹和气孔等缺陷,实现了良好的冶金结合;在Ti/Ni界面中含有TiFe、TiNi_(3)、TiNi、Ti_(2)Ni等多种脆性金属间化合物,界面最大硬度达到670.1 HV。界面结合强度的微区拉伸试验显示,其结合强度为30.5 MPa,断裂于Ti/Ni界面位置,呈脆性断裂特征。

SPS原位制备Ti(C,N)/TC4复合材料的组织和性能研究

采用放电等离子烧结技术,以石墨相氮化碳(g–C_(3)N_(4))为氮源和碳源,原位制备了Ti(C,N)/TC4复合材料。通过改变g-_C(3)N_(4)添加量,制备出不同Ti(C,N)含量的复合材料,并对其微观结构、硬度和摩擦性能进行了重点研究。结果表明,原位制备出的Ti(C,N)呈颗粒状,整体呈网格状分布,且与基体界面结合良好。随着g-_C(3)N_(4)添加量的增加,复合材料硬度不断提升,耐磨性能先提升后降低。综合评估硬度与摩擦性能,添加质量分数为5%的g–C_(3)N_(4)时所制备的复合材料具有较高的硬度和优秀的耐磨性能,硬度为627.68HV,与纯TC4钛合金烧结试样相比提升了44.4%,摩擦系数与磨损量分别为0.2608与0.056 mm^(3),相较于纯TC4烧结试样性能分别提升了29.3%与61.6%。

增强体表面镀钛对TiC/TC4复合材料耐磨性的影响

为研究增强体表面镀钛对TiC/TC4复合材料耐磨性能的影响,以酒精为分散剂对酸洗和碱洗后的钛合金颗粒进行真空微蒸发镀钛处理,获得镀钛后的钛合金粉。将质量分数大于99%的碳化钛粉和镀钛后的钛合金粉,按不同比例混合,压制成不同增强体表面镀钛的TiC/TC4复合材料。测试其表面形貌和微观结构,并进行滑动摩擦和拉伸试验。结果表明:增强体表面镀钛处理的TiC/TC4复合材料硬度上升12.3HV,抗拉性能提高40 MPa,磨损量降低0.06 mg,动摩擦因数降低0.23,摩擦后不易脆性断裂,摩擦痕迹较轻微,耐磨性良好。

TiB_w/TC4钛合金与C/C复合材料钎焊接头的界面组织结构

采用活性钎料TiZrNiCu对TiBw/TC4钛合金和C/C复合材料进行了钎焊连接,借助SEM,EDS,XRD等分析手段研究了钎焊工艺参数对接头界面组织结构的影响.结果表明,采用TiZrNiCu钎料可以实现对两种材料的连接,接头典型的界面结构为:C/C复合材料/TiC+(Ti,Zr)2(Cu,Ni)/Ti(s,s)+(Ti,Zr)2(Cu,Ni)/TiBw/TC4钛合金.随着连接温度的升高或保温时间的延长,钎焊接头界面生成产物的种类并没有发生改变,但C/C复合材料侧TiC反应层逐渐变得连续且厚度逐步增加,α-Ti枝状晶变得粗大且数量增多,Ti(s,s)+(Ti,Zr)2(Cu,Ni)层逐渐变宽,(Ti,Zr)2(Cu,Ni)逐步分散在Ti(s,s)中.

CNTs对TC4与C/C复合材料钎焊接头组织及力学性能的影响

试验采用加入了碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)的AgCu4.5Ti+xCNTs (x为质量分数,%)复合钎料(简称AgCuTiC复合钎料),实现了TC4钛合金与C/C复合材料的真空钎焊连接.通过SEM,EDS等分析手段确定了在CNTs含量为0.2%、钎焊温度为880℃、保温时间为20 min时接头的典型界面组织为TC4/扩散层/Ti2Cu/TiCu/Ti3Cu4/TiCu4/TiC+TiCu2+Ag(s.s)+Cu(s.s)/Ti3Cu4/TiCu4/TiC/C/C复合材料;研究了CNTs含量对接头组织与性能的影响.结果表明,随着CNTs含量的增加,钎缝宽度变化呈下降趋势,界面组织细化,界面中的Ti3Cu4与TiCu4脆性化合物的含量降低、TiC与TiCu2化合物的含量增加;接头的抗剪强度呈先上升后下降的趋势变化;当CNTs含量为0.4%时抗剪强度最高,达到44 MPa;CNTs的加入可使界面组织得到细化,有利于缓解钎缝中心区域与两侧母材之间存在的由于热膨胀系数不匹配而形成的较大残余应力,有效地提高了接头的抗剪强度.

放电等离子烧结制备TC4/Ti_(n+1)AlC_n-TiAl叠层结构复合材料的组织和性能

以TC4钛合金箔(Ti-6Al-4V)作为强韧层,TiC-Ti-Al混合粉末作为复合层,采用放电等离子烧结技术(SPS)制备TC4/Ti_(n+1)AlC_n-TiAl叠层结构复合材料(n=1或2)。研究了TC4/TiAl基叠层复合材料组成、结构和力学性能。结果表明:叠层之间结合良好,随着强韧层数量和Ti_(n+1)AlC_n含量的增加,界面层厚度减小,裂纹在扩展过程中Y型分叉角增大,应力集中因子减小,材料的力学性能显著提升。当强韧层数为9层时,材料的抗弯强度和断裂韧性在Arrester受力方向上达到最大值,分别为(1419.28±70.96)MPa和(62.17±3.11)MPa·m^(1/2)。

石墨烯增强TC4复合材料的微观组织及力学性能

采用球磨法将石墨烯与TC4预合金粉末混合,通过放电等离子烧结工艺在1200℃制备了石墨烯/TC4复合材料。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪等研究了复合粉末混合前后的形貌和物相结构;采用显微硬度计、Gleeble-3800D热模拟试验机等分析了复合材料的显微硬度和压缩性能。结果表明:通过干法球磨和放电等离子烧结工艺制备的复合材料组织致密,石墨烯与TC4原位生成的TiC在晶界处析出,提高了复合材料的力学性能。复合材料的室温压缩强度和屈服强度,相对于基体分别提高了17.03%和12.5%;硬度和延伸率分别提高了18.2%和60%。石墨烯的加入使得TC4基体晶粒细化,同时与基体反应生成了TiC颗粒,对基体产生了强化效果。