哈爾濱工業大學Mater. Sci. Eng. A：新型鈦基復合材料，熱處理后的拉伸與斷裂韌性性能

【引言】

鈦及鈦合金具有各種優良性能（密度小，比強度高，耐腐蝕，耐高、低溫性能好，無磁，無毒），成為航空航天應用的優秀材料，有著“飛行金屬”的美稱。然而，高速飛機需要高強度和高韌性的材料。β鈦合金由于其高的熱處理性、深淬透性和體心立方結構所賦予的固有延展性而成為優良的材料。添加少量硼和碳的鈦合金因其彈性模量，拉伸和磨損性能優于傳統鈦合金，引起了人們的極大興趣。這種鈦合金含有少量TiB晶須（TiB_w）和TiC顆粒（TiC_p），可以顯著改善基體的微觀結構。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工業大學陳玉勇教授以及肖樹龍副教授（共同通訊作者），第一作者楊建輝博士，在Mater. Sci. Eng. A發表一篇題為“The tensile and fracture toughness properties of a (TiB_w + TiC_p)/Ti–3.5Al–5Mo–6V–3Cr–2Sn–0.5Fe composites after heat treatment”的文章。該團隊探討了新型（TiB_w + TiC_p）/Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe復合材料經800℃，1h固溶處理后空冷并分別在440℃，480℃和520℃保持8h時效處理并空冷后的拉伸和斷裂韌性性能，建立了合金組織與力學性能之間的關系。固溶處理后的極限拉伸強度和屈服強度分別下降了12.5％和11.3％。然而，時效熱處理后強度顯著提高。在440℃時效處理后達到最高的極限拉伸強度為1521MPa，伸長率為7.2%。在480℃時效處理后極限KIC值是65MPa m^1/2。（TiB_w + TiC_p）增強體沿變形方向成流線型，增強了強度和疲勞韌性。增強體通過阻止裂紋擴展和延長擴展路徑并增加吸收的沖擊能量來提高斷裂韌性。

【圖文導讀】

表一 Ti–3.5Al–5Mo–6V–3Cr–2Sn–0.5Fe成分

圖1 鍛造鈦合金基體復合材料的SEM圖

（a）含有α_p晶界的β晶粒;

（b）TiB和TiC增強材料的分布;

（c）（b）中點1的能譜;

（d）（b）中點2的能譜。

圖2 （TiB_w + TiC_p）增強體的分布圖

（a）低倍放大的鍛造復合材料;

（b）800℃，1h固溶處理后空冷，接著480℃，8h時效處理后空冷的（TiB_w + TiC_p）增強體分布;

（c）（b）的高放大倍數形貌。

圖3 不同熱處理復合材料的SEM圖

（a）800℃，1h固溶處理后空冷;

（b）800℃，1h固溶處理后空冷，接著440℃，8h時效處理后空冷;

（c）800℃，1h固溶處理后空冷，接著480℃，8h時效處理后空冷;

（d）800℃，1h固溶處理后空冷，接著520℃，8h時效處理后空冷。

圖4 不同熱處理復合材料的拉伸性能圖

800℃固溶處理/空冷后，粗晶邊界缺少α_p相，強度降低；時效處理后，二次α相析出，強度增加。

圖5 不同熱處理復合材料的斷裂韌性圖

800℃固溶處理/空冷后，粗晶邊界缺少α_p相，斷裂韌性降低；時效處理后，α_s相析出，且時效溫度越高，α_s越粗大，更少產生應力集中，抗斷裂韌性越強。

圖6 在800℃，1h固溶后空冷，440℃，8h時效后空冷復合材料的TEM圖

（a）α_s的顯微照片;

（b）α_s附近的高密度位錯。

圖7 裂紋沿裂紋擴展方向的組合腐蝕微觀結構圖

（a）裂紋中斷裂的TiB晶須;

（b）和（c）沿著裂紋擴展的裂紋路徑;

（d）（a）的局部放大圖。

圖8 鈦合金基復合材料在520℃/8h時效/空冷時，裂紋附近微觀結構圖

（a）無腐蝕下傳播路徑斷裂裂紋;

（b）缺口附近的裂紋中的斷裂表面;

（c）裂紋中的TiB晶須;

（e），（f）和（g）裂紋附近（TiB_w + TiC_p）增強物在腐蝕與不同尺度下的分布。

【小結】

本文設計了一種添加了少量的B和C近β型鈦合金的新的“鉬當量”變形體，研究了熱處理對復合材料組織和力學性能的影響。得出時效熱處理可大大提高復合材料的強度和疲勞韌性的結論。在480℃/8h時效/空冷時，最高抗拉強度為1521 MPa，是鍛造合金的1.7倍，延伸率為7.2％。極限K_IC值為65 MPa·m^1/2。α_s的大小對強度和斷裂韌性有相反的作用，相對較細的α_s有利于強度但不利于斷裂韌性，對粗晶粒反之亦然。（TiB_w + TiC_p）增強體增強了強度和疲勞韌性，并通過阻止裂紋擴展來延長擴展路徑，增加吸收沖擊能量來改善斷裂韌性。

文獻鏈接：The tensile and fracture toughness properties of a (TiB_w + TiC)/Ti–3.5Al–5Mo–6V–3Cr–2Sn–0.5Fe composites after heat treatment（Mater. Sci. Eng. A， 2018， DOI.org/10.1016/j.msea.2018.05.009）?

本文由材料人編輯部新人組李峰編輯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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