TiB/Ti2AlNb复合材料网状结构优化及组织性能研究

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Ti2AlNb合金具有优异的高温比强度、比刚度,良好的高温蠕变、疲劳和抗氧化性能,是一种优良的轻质高温结构材料。采用复合强化的方法在Ti2AlNb基体中引入TiB增强相能进一步提高该材料的服役温度和工程应用范围。复合材料结构设计的相关研究表明,通过对复合材料中增强相的分布形式进行调整以制备出增强体呈准连续网状分布的复合材料,有望在不损害材料塑性的基础上提高复合材料的强度并且解决目前强度和韧、塑性不可兼得的瓶颈问题。Ti2AlNb作为本质脆性的金属间化合物,解决以其为基体的复合材料塑性差的问题意义重大。但就目前的研究而言,将这种新型的增强相分布形式引入到Ti2AlNb复合材料中,研究增强相呈网状分布时网络的结构参数对复合材料性能的影响还未见报道。本文使用有限元方法建立了微米尺度的网状TiB/Ti2AlNb复合材料二维模型,在此基础上研究了网状结构大小d、增强相TiB含量和加工变形量三个结构或加工参数对TiB/Ti2AlNb复合材料拉伸性能的影响,通过正交试验方法确定了复合材料的最佳网状结构参数,并对复合材料在拉伸过程中的应力、应变分布和断裂过程进行了分析。总结试验和分析的结果,得到以下结论:(1)对于未压缩变形的网状TiB/Ti2AlNb复合材料,复合材料的屈服强度随着TiB含量的升高而升高;复合材料的屈服强度在d=0μm时最小,d=25μm时最大。复合材料的断裂强度总体上随着d值的增大而降低;当d 25μm时,复合材料断裂强度随TiB含量的增加而降低,当d 50μm时,复合材料断裂强度在增强相体积分数为2vol%时出现极值。(2)对于TiB在增强相富集区的局部体积分数>15vol%的复合材料,当拉伸应力较低时,应力主要集中于TiB增强相附近。随着拉伸应力的增加,应力集中区相互连通并呈现出明显的网状分布的特征,裂纹主要向复合材料基体中扩展;当TiB在增强相富集区的体积分数<10vol%时,复合材料在拉伸过程中的应力集中区均匀分布,断裂方式不受网状结构影响;当TiB局部含量在10vol%左右时,裂纹同时向基体和沿网状结构扩展。总体而言,拉伸过程中产生的裂纹都与拉伸方向成45o夹角。(3)相比于未压缩变形的复合材料,压缩变形对网状TiB/Ti2AlNb复合材料弹性模量和屈服强度的影响较小。随着压缩变形量的增加,网状TiB/Ti2AlNb复合材料的延伸率和断裂强度均提高,当TiB在增强相富集区的体积分数>10vol%时,复合材料在拉伸过程中的应力集中区呈现网状分布特征,裂纹向被包裹的Ti2AlNb基体扩展。(4)正交试验的分析结果表明,TiB含量、压缩变形量、d值对网状TiB/Ti2AlNb复合材料屈服强度的影响程度依次降低,但三者影响都不太显著;各个结构参数对断裂强度影响程度为d值>TiB含量>压缩变形量;各参数都对复合材料的延伸率有较为显著的影响。最终选择的具有最佳的综合力学性能的网状结构参数为压缩变形量70%,d=25μm,2vol%的增强相体积分数,其屈服强度966MPa、断裂强度1105.4MPa、延伸率1.773。
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