Acta Mater.：SLM制備原位TiAl / TiB2金屬基復合材料的結構演變和納米硬度的提高

teliduxing 6年前 (2017-09-03) 4576瀏覽

【引言】

TiAl基合金具有低密度，優異的抗蠕變性和高溫強度，且高溫下抗氧化性能良好。因此成為航空航天等領域最具吸引力的高溫結構材料之一。然而，由于其斷裂韌性的各向異性和低于700℃時失效的低伸長率，其實際應用受到嚴重限制。

目前，制備金屬基復合材料(MMCs)是控制TiAl基合金微觀組織和相組成的一種非常普遍有效的方法，MMC將金屬基體的強韌性和延性與陶瓷的剛性和低密度相結合。由于具有與TiAl基體相當的熱膨脹系數和優異的化學相容性以及硼元素的晶粒細化效應，TiB₂被認為是TiAl基復合材料最具吸引力的增強材料之一。

【成果簡介】

近日，華中科技大學魏青松教授和閆春澤副教授(共同通訊作者)研究團隊于2017年7月4日在期刊Acta Materialia上發表了題為“Enhanced nanohardness and new insights into texture evolution and phase transformation of TiAl/TiB₂?in-situ metal matrix composites prepared via selective laser melting”的文章。研究人員首次通過選擇性激光熔融(SLM)制備了具有納米硬度極大提高的TiAl / TiB₂原位金屬基復合材料(MMC)，研究了TiB₂強化對TiAl基合金顯微組織特征，織構演變和相變的影響。結果表明，隨著TiB₂含量的增加，平均晶粒尺寸逐漸減小。同時，TiB₂對SLM制備的TiAl / TiB₂基復合材料的織構有很大的影響。隨著TiB₂含量的增加，可以形成更多織構。

【圖文導讀】

圖1 SLM制備過程和樣品的分析

(a) SLM過程的示意圖；

(b)相對于樣本坐標的激光掃描策略；

(c)晶體取向；

(d)-(d’’),?(e)-(e”),(f)-(f’’) 和(g)-(g’’)分別表示SLM制備的樣本S₀、S₁、S₂和S₃俯視的EBSD取向圖；

圖2樣品的粒度分布

(a)-(d)分別為基于EBSD方向圖的圖像分析和圖1所示的統計數據方法，樣本S₀、S₁、S₂和S₃的粒度分布；

圖3 SLM制備的不同TiB₂含量的TiAl / TiB₂?MMC樣品的俯視圖中{0001}、和的極圖

(a) 0 wt％(S₀)；???????????? (b) 1 wt％(S₁)；

圖4 SLM制備的不同TiB₂含量的TiAl / TiB₂?MMC的晶體取向的XRD極圖

(a) 1 wt％(S₁)；?????????????? (b) 2 wt％(S₂)；????????????????? (c) 3 wt％(S₃)；

圖5相組成

(a) Ti-Al二元相圖，紅色箭頭表示Ti-45Al的凝固路徑和相變；

(b) 樣品S₀、S₁、S₂和S₃的XRD圖；

(c)-(f) S₀、S₁、S₂和S₃的相組成和分布；

圖6 α₂相的立體投影極圖

(a) 描繪了α₂相的24個位置的結構的標準立體投影極圖；

(b) 實驗獲得的S₁的α₂相立體投影極圖；

圖7 SLM制備的具有不同TiB2含量的TiAl / TiB₂?MMC的24個變化位置處的結構指數的定量分析

綠-0 wt％，藍-1 wt％，紅-2 wt％和黑色 - 3 wt％；

圖8樣品S₁的TEM分析

(a) S₁的明場TEM圖像；

(b) (c)和(d)的選區衍射花樣；

(d) 沿[001]軸的TiB (綠色箭頭)的選區衍射花樣；

圖9樣品的力學性能

(a) 加載-卸載(P-h)曲線；

(b) 樣品S₀，S₁，S₂和S₃的計算的納米硬度H_d值；

【小結】

隨著TiB₂含量的增加，平均晶粒尺寸逐漸減小，晶體取向從強(0001)轉變為和。同時，TiB₂對SLM制備TiAl / TiB₂MMCs的織構有很大的影響。隨著TiB₂含量的增加，可以形成更多織構。 TiAl / TiB₂?MMC以α₂相為主，也檢測出少量的γ，B₂，TiB₂和TiB相。TiB₂增強體是TiAl基合金基體中針狀微TiB₂和不規則納米TiB₂顆粒的形式，納米TiB₂顆粒均勻分布，長度為10 nm，寬度為3-5 nm。SLM制備的TiAl / TiB₂?MMC表現出優異的納米硬度10.57±0.53GPa，遠高于傳統的輥焊TiB₂增強TiAl基合金。