原位自生钛基复合材料高温持久性能研究

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1、上海交通大学硕士学位论文摘要原位自生钛基复合材料的高温持久性能研究摘要钛基复合材料具有高比强、高比模和耐高温等优点，被视为最具潜力的新一代航空航天用高温结构材料之一。利用原位自生技术制备的颗粒增强钛基复合材料的增强体和基体相容性好，界面清晰、洁净，结合强，增强体在基体中分布均匀，增强体和基体在热力学上稳定，在高温工作时，性能不易退化，而且成本低廉，工艺简单，因此逐渐受到人们的关注。作为高温结构材料，高温持久性能是其主要考核指标之一，而目前这方面的研究工作还比较少。因此研究原位自生钛基复合材料的高温持久性能具有重要意义。本工作主要对两种新型原位自生钛基复合材料(TiB+La2O3)/Ti和(Ti

2、B+TiC+La2O3)/Ti的高温持久性能进行了初步研究与探讨。一方面，对于上述两种新型复合材料(TiB+TiC+La2O3)/Ti和(TiB+La2O3)/Ti的实际应用给予了一定的实验参考；另一方面，为今后深入研究原位自生钛基复合材料的高温持久性能和进一步提升原位自生钛基复合材料的使用温度提供了一定的理论和实验依据。本研究中的两种钛基复合材料利用Ti与B4C、LaB6及原料中的氧之间的化学反应，通过真空自耗电弧熔炼工艺制备。重点测试分析了两种钛基复合材料的高温持久性能，并且利用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜、透射电镜等对其物相、微观组织、增强体TiB、TiC和La2O3的微结构等进行

3、了观察和分析，据此来探讨各种增强体对原位自生钛基复合材料高温持久性能的影响机制。本文的研究主要包括以下几个方面：(1)为了便于比较分析，使用同样的制备方法制备了基体合金，并且通过同样条件的热处理来消除基体组织对比较分析的影响。基体合金、(TiB+TiC+La2O3)/Ti和(TiB+La2O3)/Ti复合材料在经过统一的热处理后，复合材料的基体组织和基体合金的组织基本相同，1上海交通大学硕士学位论文摘要都为篮网状组织；复合材料中的增强体分布均匀，增强体与基体结合良好，界面清晰；TiC增强体呈等轴状或近似等轴状，TiB呈晶须状，且(TiB+La2O3)/Ti中TiB晶须较(TiB+TiC+La2

4、O3)/Ti中的要细长；两种钛基复合材料中存在大量弥散分布的纳米La2O3颗粒，且两种钛基复合材料中纳米La2O3颗粒尺度相当。(2)测试了基体和两种复合材料的高温持久性能。通过对稳态蠕变速率、持久寿命和微结构变化的分析发现，增强体的加入可以提高复合材料的变形抗力，显著改善复合材料的高温持久性能。(TiB+La2O3)/Ti复合材料具有最佳的高温持久性能，其稳态蠕变速率和持久寿命与基体合金比较有了一个数量级的改善。(3)观察分析持久断裂断口及增强体高温持久性能实验前后微结构的变化发现，高温蠕变过程中，(TiB+TiC+La2O3)/Ti复合材料中的TiB和TiC增强体的失效机制主要为增强体与基

5、体脱粘，而(TiB+La2O3)/Ti复合材料中TiB增强体的失效机制主要为增强体断裂，因而其高温承载效果要优于(TiB+TiC+La2O3)/Ti复合材料中的TiB和TiC增强体，能够更好地改善复合材料的高温持久性能。(4)测量并分析了(TiB+TiC+La2O3)/Ti和(TiB+La2O3)/Ti复合材料持久断裂后的延伸率发现，复合材料的持久断裂延伸率与基体合金相当，并未下降。这主要是由于La2O3增强体的原位生成夺取了基体中对塑性不利的氧，净化了基体合金，有利于提高复合材料中基体合金的塑性。关键词：持久性能，原位自生，钛基复合材料，微观组织，蠕变2上海交通大学硕士学位论文ABSTRAC

6、THIGHTEMPERATUREENDURANCEPROPERTIESOFINSITUSYNTHESIZEDTITANIUMMATRIXCOMPOSITESABSTRACTTitaniummatrixcomposites(TMCs)areconsideredasoneofthemostcompetitivehightemperaturestructuralmaterialsinthefieldofaviationandaerospaceowningtotheirhighstrengthandelasticmodulecomparedtotheirweight,especiallytheirgo

7、odmechanicalpropertiesatelevatedtemperature.ParticlesreinforcedTMCssynthesizedbyinsituareattractedmoreandmoreattentionbecausethereinforcementsaredistributeduniformlyandthematrix-reinforcementsinterfac