界面约束作用下Ti(Al)-Ti3Al层状复合材料高温变形机制研究

In order to solve the problem of low ductility and formability of Ti3Al intermetallic compounds, Ti foils and Al foils are selected as raw materials to fabricate Ti(Al)-Ti3Al laminated composites by controlling the annealing parameters and relative thicknesses of raw foils. The effects of raw foil thicknesses, annealing time and temperature on the reaction synthesis of Ti(Al)-Ti3Al laminated composites are studied to propose the synthesis mechanism of laminated composites. The influences of structural parameters of laminated composites on the high temperature mechanical properties are investigated, from which the critical factor governing the mechanical properties of laminated composites may be identified and used for the optimization of material design. By virtue of the coupled technology of digital image correlation (DIC) and X-ray tomography, the deformation mechanism of laminated composites is quantitatively elucidated from the perspective of local strain evolution and deformed microstructures. The relationship among the laminated structure, interface constraint, local strain distribution, deformed microstructure, and macroscopic deformation behavior is then established based on the above experimental results. The implementation of this project is expected to enrich the synthesis theory of brittle materials, and provide invaluable inspirations for the design of high-performance structural composites.

针对Ti3Al金属间化合物低塑性、难成形的问题，本项目以Ti箔和Al箔为原料，通过调控原始箔材的层厚参数(Ti箔和Al箔的单层层厚及层厚比)和热处理工艺，反应合成具有连续Ti3Al层的Ti(Al)-Ti3Al层状复合材料。研究原始箔材的层厚参数、热处理温度和保温时间等因素对层状复合材料反应合成过程的影响规律，揭示层状复合材料的反应合成机制。研究层状材料结构参数对其高温力学性能的影响，并筛选出能够有效改善层状材料力学性能的关键因素以优化材料的设计制备流程。使用数字图像关联技术和同步辐射断层扫描技术等原位定量表征手段，从局域应变演化和形变微结构的角度揭示层状界面约束作用下复合材料的高温变形机制，阐明“层状结构与界面约束-局域应变分布-形变微结构-宏观变形行为”之间的关联响应机理。项目的实施有望丰富脆性材料的制备与成形理论，为设计出高性能薄板结构件提供坚实的实验基础和理论支撑。

本文旨在通过层状结构设计改善金属间化合物的综合力学性能，并从局域应力应变的角度阐述层状结构影响材料的变形、断裂和力学性能的作用机制。以Al箔和Ti箔为原料，通过调控原始箔材的层厚参数(层厚比和单层厚度)及反应退火工艺合成了具有层状结构的Ti(Al)-Ti3Al复合材料。根据层状材料中不同组分的Al含量将其划分为α-Ti(Al)层、α+α2双相层和α2-Ti3Al层。脆性Ti3Al层被邻近的双相层约束因此表现出明显的塑性变形特征，甚至在这种特殊的界面约束作用下，其锥面滑移在室温下被激活。层状材料塑性组分的形变过程也没有严格遵循Schmid定律，并存在强烈的各向异性，即沿平行界面方向的均匀变形和沿垂直界面方向的应变梯度，因此变形过程中累积在脆性Ti3Al层的应力集中可以被有效地传递到邻近的双相层中。层状材料局域应变演化过程表明，不同层状组元间具有良好的应变兼容性且宏观变形遵循等应变法则，其中α+α2双相层的存在稳定了层状材料的拉伸变形并降低了局部塑性不稳定的倾向。这种由于层状结构导致的拉伸稳定性可以通过拉伸断口中许多微小且钝化的裂纹反映出来，这些裂纹不仅缓解了变形过程中的应力集中，还提供一定程度的应变，其中后者补偿了Ti3Al较差的塑性以维持宏观拉伸等应变模型。由于层状结构赋予的较低的裂纹扩展驱动力、较高的应力传递效率以及作用于裂纹尖端的塑性约束等原因，这些裂纹在后续变形中并不会发展为临界主裂纹。因此本项目提出的“层状结构”组织构型化设计理念及从应力应变的角度解析变形行为的分析视角将为其他脆性材料的强韧化提供重要的指导及借鉴意义。