增强体准连续网状分布TiBw/TC4复合材料设计与制备基础研究

陶瓷增强体分布状态决定着金属基复合材料的性能，本项目通过理论分析与数值模拟，以同时提高钛基复合材料增强效果与增韧效果为目的，设计一种增强体呈三维准连续网状分布的钛基复合材料组织结构。通过选择大尺寸TC4粉原料，设计与调控机械球磨与热压烧结参数，利用TiB2与Ti原位自生反应，生成晶须状TiB增强体，有效连接TC4基体颗粒，制备增强体准连续网状分布的TiBw/TC4复合材料。阐明制备参数和网状结构参数对钛基复合材料组织演化及力学性能的影响规律。研究网状结构TiBw/TC4复合材料组织结构与力学性能的可设计、可调控及可预测性。通过对具有不同网状结构参数的TiBw/TC4复合材料进行断裂机制分析，结合理论分析与数值模拟，揭示TiBw/TC4复合材料网状组织结构高效的增强与增韧机理。本项目的研究为采用"材料设计"思想，优化非连续增强金属基复合材料组织结构，有效提高金属基复合材料强韧性提供理论基础。

本项目在国家自然科学基金的资助下，完成了增强体准连续网状分布TiBw/TC4复合材料设计与制备基础研究，取得了创新研究成果。针对粉末冶金法制备非连续增强钛基复合材料增强效果不高与室温脆性大的瓶颈问题，基于Hashin-Shtrikman理论与晶界强化理论，兼顾室温塑性要求，成功设计出具有不同参数的网状组织结构。通过选择大尺寸TC4钛合金粉与细小TiB2粉为原料，低能球磨混粉与热压烧结工序，成功制备出了具有不同网状结构参数的系列TiBw/TC4复合材料。优化出最佳低能球磨混粉参数200rpm/8h/5:1，最佳热压烧结参数1200℃/0.5h/20MPa。拉伸性能测试结果显示，随着局部增强相含量的增加强度增加塑性降低，随着网状尺寸的增加，强度降低塑性增加。调整结构参数，烧结态TiBw/TC4复合材料可以获得大于9%的室温拉伸延伸率，或大于1280MPa的抗拉强度。断裂分析表明，裂纹总是沿着网状界面处扩展，充分发挥了增强相的增强效果。增强相贫化区可以有效承载应变、钝化裂纹、降低裂纹扩展速度，改善复合材料的塑性水平。因此，网状结构TiBw/TC4复合材料高效的增强效果主要归因于增强相网状分布形成的三维网状结构，优异的塑性水平主要归因于较大的增强相贫化区的存在与适中的局部增强相含量。后续热处理与热变形可以有效提高TiBw/TC4复合材料强度水平，甚至超过1400MPa，热变形还可大幅提高其室温塑性水平，甚至达到12%。基于网状结构钛基复合材料的创新理念，协助培养博士研究生4名；硕士生8名，发表学术论文45篇，其中SCI论文24篇，参加国际学术会议11人次；申请国家发明专利8项。应邀出版专著1部-网状结构钛基复合材料-国防工业出版社，应邀在《Progress in Materials Science》杂志上撰写综述文章1篇，获黑龙江省科学技术奖二等奖1项。网状结构钛基复合材料的设计与制备，不仅解决了粉末冶金法制备钛基复合材料的瓶颈问题，表现出优异的塑性水平及可塑性加工能力，而且进一步提高了钛基复合材料在室温与高温的增强效果。