網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiBw/TC4復(fù)合材料高溫塑性變形行為與機(jī)理結(jié)題摘要

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能，并且調(diào)控網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)可以獲得不同性能特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。為了滿足航天航空對(duì)輕質(zhì)耐熱高強(qiáng)韌網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料及其成形技術(shù)的迫切需求，本項(xiàng)目以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiBw/TC4復(fù)合材料為例，采用高溫壓縮與超塑性拉伸的方法，研究了其變形行為與機(jī)理。采用不同尺寸的TC4球形粉與不同比例的TiB2細(xì)粉為原料，成功制備出不同網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)的TiBw/TC4復(fù)合材料。通過對(duì)不同網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)TiBw/TC4復(fù)合材料進(jìn)行高溫壓縮變形試驗(yàn)，揭示了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)與變形條件對(duì)其應(yīng)力-應(yīng)變行為的影響規(guī)律，并建立了TiBw/TC4復(fù)合材料的高溫壓縮熱變形本構(gòu)方程。建立了不同網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)TiBw/TC4復(fù)合材料在不同應(yīng)變量及應(yīng)變速率下的高溫壓縮熱加工圖，并將熱變形工藝同變形后組織相對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料熱變形性能及變形后組織的可預(yù)測(cè)、可調(diào)控。使用顯微硬度計(jì)對(duì)不同溫度及變形速率下熱壓縮變形后的TiBw/TC4復(fù)合材料硬度進(jìn)行了測(cè)試以預(yù)測(cè)熱變形試樣性能。在優(yōu)化的工藝參數(shù)下制備了大尺寸等溫鍛造TiBw/TC4復(fù)合材料，并對(duì)材料各部位的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，闡明了變形條件對(duì)其組織與性能的影響規(guī)律。對(duì)TiBw/TC4復(fù)合材料在900℃~1000℃溫度范圍內(nèi)，0.0005~0.01s-1應(yīng)變速率范圍內(nèi)進(jìn)行了高溫超塑性拉伸試驗(yàn)，并觀察了超塑性變形后試樣組織，闡明了TiBw/TC4復(fù)合材料的超塑性變形行為、變形機(jī)制與組織演變規(guī)律。建立了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料熱變形與熱處理改性新方法，實(shí)現(xiàn)了組織與性能進(jìn)一步調(diào)控，滿足了航天航空飛行器減重提速的迫切需求，研制出的某新型導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)鈦基復(fù)合材料氣動(dòng)格柵(Φ580mm)，已成功通過了地面例試。發(fā)表學(xué)術(shù)論文37篇，其中SCI收錄34篇，單篇最高影響因子23.75；在Springer與國(guó)防工業(yè)出版社出版專著2部，參編專著2部；已授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利10項(xiàng)。培養(yǎng)博士研究生6名，已畢業(yè)2名；培養(yǎng)碩士生8名均已畢業(yè)。 2100433B

增強(qiáng)相呈三維準(zhǔn)連續(xù)網(wǎng)狀分布的TiB晶須增強(qiáng)TC4基(TiBw/TC4)復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能(室溫與高溫的強(qiáng)度與塑性)，并且調(diào)控網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)(局部與整體增強(qiáng)相含量、網(wǎng)狀尺寸)可以獲得不同性能特點(diǎn)(高強(qiáng)度、高塑性、高強(qiáng)韌性、高耐熱性)，具有較大的應(yīng)用潛力。進(jìn)一步采用高溫壓縮與超塑性拉伸的方法，研究不同網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)TiBw/TC4復(fù)合材料在不同變形方式(壓縮與拉伸)及不同變形條件(溫度、應(yīng)變速率、變形量)下的應(yīng)力-應(yīng)變行為，建立其高溫壓縮與高溫拉伸本構(gòu)方程及熱加工圖，借助其增強(qiáng)相三維網(wǎng)狀分布特征，闡明網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)、變形方式、變形條件對(duì)TiBw/TC4復(fù)合材料組織與性能演變的影響規(guī)律，全面揭示其塑性變形機(jī)理，并優(yōu)化其高溫壓縮與超塑性拉伸最佳變形條件。為不同網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)TiBw/TC4復(fù)合材料塑性變形加工與超塑性成形建立理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為其在航空航天上廣泛應(yīng)用提供可靠的理論支撐和技術(shù)保障。

針對(duì)航天航空領(lǐng)域?qū)梢栽?00~800℃使用的輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐熱結(jié)構(gòu)材料的迫切需求，制備一種TiB晶須呈空間網(wǎng)狀分布的Ti60基復(fù)合材料，研究復(fù)合材料的熱壓縮、熱擠壓、熱軋制和熱處理相關(guān)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)問題，探索復(fù)合材料高溫強(qiáng)化和高溫抗氧化機(jī)制，最終實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異室溫塑性和高溫特性的鈦基復(fù)合材料及其構(gòu)件的制備與成形技術(shù)?；谇捌诰W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料制備及其體系設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用粒徑為110μm的Ti60鈦合金粉末與細(xì)小TiB2粉為原料，針對(duì)Ti60基體合金特點(diǎn)優(yōu)化了低能球磨工藝與反應(yīng)熱壓燒結(jié)工藝，成功制備出成功制備了增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)為0%，1.7%，3.4%，5.1% TiBw/Ti60復(fù)合材料。針對(duì)燒結(jié)態(tài)TiBw/Ti60復(fù)合材料組織特點(diǎn)，通過高溫固溶空冷熱處理手段，使得復(fù)合材料的室溫塑性和強(qiáng)度得到同時(shí)提高，進(jìn)一步優(yōu)化這種復(fù)合材料的力學(xué)性能。通過對(duì)TiBw/Ti60復(fù)合材料進(jìn)行高溫壓縮試驗(yàn)，結(jié)合變形組織分析，揭示了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiBw/Ti60復(fù)合材料在兩相區(qū)和β單相區(qū)高溫變形機(jī)制?；趶?fù)合材料高溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變行為，采用由Sellars和Tegart提出的雙曲正弦本構(gòu)模型來(lái)模擬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiBw/Ti60復(fù)合材料的流變應(yīng)力階段，建立不同溫度區(qū)間的本構(gòu)方程，并根據(jù)流變應(yīng)力數(shù)據(jù)計(jì)算復(fù)合材料的變形激活能。結(jié)合復(fù)合材料高溫壓縮變形構(gòu)造的熱加工圖，對(duì)燒結(jié)態(tài)TiBw/Ti60復(fù)合材料進(jìn)行熱擠壓變形，揭示了熱擠壓變形對(duì)系列TiBw/Ti60復(fù)合材料室溫和高溫力學(xué)性能的影響規(guī)律及擠壓變形強(qiáng)韌化機(jī)制。通過對(duì)變形態(tài)復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，揭示了TiBw/Ti60復(fù)合材料熱處理過程中組織與性能的影響規(guī)律及熱處理強(qiáng)化機(jī)制。通過測(cè)試TiBw/Ti60復(fù)合材料的高溫抗氧化性能，揭示了TiBw/Ti60復(fù)合材料氧化動(dòng)力學(xué)規(guī)律及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征對(duì)其氧化過程的影響規(guī)律。發(fā)表學(xué)術(shù)論文32篇，其中SCI收錄28篇，單篇最高影響因子31.083；在國(guó)防工業(yè)出版社出版《網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦基復(fù)合材料》專著1部，參編專著1部；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利9項(xiàng)，已授權(quán)6項(xiàng)。培養(yǎng)博士研究生6名，已畢業(yè)3名；培養(yǎng)碩士生8名均已畢業(yè)。 2100433B

以TiB2顆粒和Ti60耐熱鈦合金顆粒為原料，以TiB2顆粒與基體Ti發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成TiB晶須增強(qiáng)相為原理，以具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低能球磨和真空反應(yīng)熱壓燒結(jié)技術(shù)為方法，制備TiB晶須呈網(wǎng)狀分布的Ti60高溫鈦合金基復(fù)合材料。采用高溫壓縮變形方法研究復(fù)合材料在不同變形溫度和應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變特性與組織性能演化規(guī)律，提出本構(gòu)方程和熱加工圖，揭示變形機(jī)制。研究熱擠壓和熱軋制變形對(duì)復(fù)合材料組織性能的影響規(guī)律和機(jī)制，優(yōu)化熱成形工藝參數(shù)。研究熱處理對(duì)復(fù)合材料組織與性能影響規(guī)律，優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)。測(cè)試復(fù)合材料的高溫拉伸、高溫蠕變和高溫抗氧化性能，揭示高溫強(qiáng)化與高溫氧化機(jī)理，闡明網(wǎng)狀分布的TiB晶須在復(fù)合材料高溫特性中的作用機(jī)制。該復(fù)合材料的耐熱性接近TiAl金屬間化合物，同時(shí)有良好的塑性成形能力。本項(xiàng)目將為航天航空對(duì)可在700-800℃使用的輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐熱結(jié)構(gòu)材料的需求提供理論支撐和技術(shù)保障。

類型：α β型鈦合金

●TC4 熱膨脹系數(shù)：

TC4鈦合金具有優(yōu)良的耐蝕性、小的密度、高的比強(qiáng)度及較好的韌性和焊接性等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、石油化工、造船、汽車，醫(yī)藥等部門都得到成功的應(yīng)用。

●TC4鈦合金力學(xué)性能：

規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力σr0.2/MPa≥825,伸長(zhǎng)率δ5(%)≥10,

●TC4鈦合金密度:

4.5（g/cm3）

●TC4鈦合金化學(xué)成分:

TC4含鈦(Ti) 余量,鐵(Fe)≤0.30,碳(C)≤0.10,氮(N)≤0.05,氫(H)≤0.015,氧(O)≤0.20,鋁(Al)5.5～6.8,釩(V)3.5～4.5

●TC4鈦合金密度:

4.5（g/cm3）工作溫度-100～550（℃）