發(fā)布時(shí)間： 2026-04-24 08:57:20 瀏覽次數(shù)：

引言

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、耐高溫性能和抗腐蝕性能好、生物相容和無毒等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、艦船與海洋工程、兵器、先進(jìn)交通、冶金和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)鈦合金構(gòu)件的輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐高溫性能與高效精準(zhǔn)成形制造技術(shù)提出了更高要求，傳統(tǒng)鈦合金無法全面滿足上述需求，以鈦合金為基體添加增強(qiáng)物制備的鈦基復(fù)合材料是提升其基體鈦合金高溫性能的新方向。與傳統(tǒng)鈦合金相比，鈦基復(fù)合材料具有更高的比強(qiáng)度、比剛度、耐磨性能和更好的高溫持久性能與抗蠕變性能，顯著提升了其使用溫度，已經(jīng)成為國際新金屬材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)[4-5]。

連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(Continuously Fiber-Reinforced Titanium Matrix Composites, CRTMCs)在20世紀(jì)80年代成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件。最常用的連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料是美國的SCS-6型碳化硅纖維(SiCf)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，由此復(fù)合材料制造的低壓渦輪風(fēng)扇軸滿足了強(qiáng)度和疲勞性能的設(shè)計(jì)要求;與Inconel718高溫合金制造的低壓渦輪風(fēng)扇軸相比，其結(jié)構(gòu)重量減輕了30%;與基體鈦合金制造的低壓渦輪風(fēng)扇軸相比，其剛度增加了40%，已經(jīng)應(yīng)用于GE XTE-45驗(yàn)證機(jī);與不銹鋼相比，由此復(fù)合材料制造的驅(qū)動(dòng)器活塞桿的結(jié)構(gòu)重量減輕了40%，已經(jīng)應(yīng)用于F119航空發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噴口[6]。20世紀(jì)90年代初，美國IHPTET計(jì)劃在XTC-16系列核心機(jī)的四級(jí)壓氣機(jī)中驗(yàn)證了SiC可增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子部件,第3級(jí)整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子部件的重量約4.5kg,然而由鎳基高溫合金制造的同樣結(jié)構(gòu)和尺寸轉(zhuǎn)子(非整體葉環(huán))部件的重量為25kg，轉(zhuǎn)子部件的結(jié)構(gòu)重量減輕了82%[7]。但同時(shí)SiC也存在制備工藝比較復(fù)雜、成本較高，SiC增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的力學(xué)性能各向異性嚴(yán)重、二次成形加工困難、增強(qiáng)物與基體鈦合金界面反應(yīng)劇烈等問題，限制了其工程應(yīng)用。

非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(Discontinuously Fiber-Reinforced Titanium Matrix Composites, DRTMCs)是由一種或者多種陶瓷顆粒與晶須增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料，具有近各向同性、可以進(jìn)行二次成形加工等優(yōu)勢，通過成形加工可以制造出高性能鈦基復(fù)合材料構(gòu)件[8]。增強(qiáng)物以硼化鈦晶須(TiB)或者顆粒(TiB)和碳化鈦顆粒(TiC)為主，由于上述增強(qiáng)物與鈦合金的化學(xué)性質(zhì)比較接近，彈性模量和強(qiáng)度更高，能夠顯著提升基體鈦合金的室溫和高溫力學(xué)性能，是鈦基復(fù)合材料設(shè)計(jì)中的理想增強(qiáng)物;以碳納米管、石墨烯為增強(qiáng)物的高強(qiáng)度高韌性鈦基復(fù)合材料研究也取得了較大進(jìn)展[9-11]。在采用直接外加工藝添加增強(qiáng)物制備鈦基復(fù)合材料的過程中，容易引入污染物，降低增強(qiáng)物與基體鈦合金的界面結(jié)合強(qiáng)度，但是，在增強(qiáng)物/基體鈦合金的界面存在比較大的殘余應(yīng)力，將對(duì)鈦基復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生非常不利的影響;由于增強(qiáng)物尺寸受粉末粒度的限制，同時(shí)其制造成本比較高，不利于工程應(yīng)用。原位反應(yīng)自生工藝是通過添加增強(qiáng)物目標(biāo)元素的單質(zhì)或者化合物與基體鈦合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制備出鈦基復(fù)合材料，能夠獲得原子結(jié)合的增強(qiáng)相/基體鈦合金的界面結(jié)構(gòu)，其界面處無中間反應(yīng)物或者污染物，提升了鈦基復(fù)合材料中增強(qiáng)相的承載能力，能夠顯著提升鈦基復(fù)合材料的力學(xué)性能，因此，原位反應(yīng)自生工藝是制備非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的常用工藝[12-14]。

1、制備工藝

按照原材料形態(tài)，原位反應(yīng)自生工藝包括3種:固-固反應(yīng)工藝、固-液反應(yīng)工藝和氣-固反應(yīng)工藝。其中，熔鑄工藝和燃燒輔助熔鑄工藝屬于固-液反應(yīng)工藝，真空熱壓燒結(jié)工藝和放電等離子燒結(jié)工藝屬于固-固反應(yīng)工藝，是常用的鈦基復(fù)合材料制備工藝[12,15]。近年來，激光增材工藝得到了快速發(fā)展，為高性能鈦基復(fù)合材料制備及其構(gòu)件制造提供了新途徑[16-18]。非連續(xù)鈦基復(fù)合材料中增強(qiáng)相形貌與尺寸，包括微米級(jí)、亞微米級(jí)和納米級(jí)尺寸晶須，很大程度上取決于采用的鈦基復(fù)合材料制備工藝。熔鑄工藝制備的鈦合金復(fù)合材料中的增強(qiáng)相尺寸比較大，并且在復(fù)合材料內(nèi)部容易形成孔洞等缺陷[19-21]，是熔鑄工藝制備鈦基復(fù)合材料時(shí)需要攻克的難題;真空熱壓燒結(jié)工藝和放電等離子燒結(jié)工藝制備的鈦基復(fù)合材料中的增強(qiáng)相尺寸比較小[22-23]，激光增材工藝制備的鈦基復(fù)合材料內(nèi)部形成了大量的亞微米級(jí)和納米級(jí)尺寸增強(qiáng)相[24-25]，對(duì)提升鈦基復(fù)合材料力學(xué)性能十分有利。

1.1熔鑄工藝

鈦基復(fù)合材料的熔鑄工藝是直接將反應(yīng)物和鈦合金一起熔煉，在熔煉過程中發(fā)生自生反應(yīng)原位生成增強(qiáng)相的制備工藝。熔鑄工藝可以在不改變基體鈦合金熔煉工藝與設(shè)備條件下制備出鈦基復(fù)合材料，其工藝流程短、設(shè)備要求簡單、制備成本低，可以批量制造大尺寸鈦基復(fù)合材料;同時(shí)，對(duì)于制造形狀復(fù)雜的鈦基復(fù)合材料構(gòu)件具有顯著優(yōu)勢。如果先采用高溫自蔓延合成工藝或者放熱擴(kuò)散工藝獲得中間產(chǎn)物，再采用熔鑄工藝制備出鈦基復(fù)合材料的工藝靈活性更高。以熔鑄工藝為基礎(chǔ)，將一定化學(xué)計(jì)量比的反應(yīng)物粉末均勻混合并熔化，在熔化過程中通過反應(yīng)物之間的放熱反應(yīng)生成增強(qiáng)相，即新發(fā)展的制備鈦基復(fù)合材料的燃燒輔助熔鑄工藝。

但是，為了降低鈦基復(fù)合材料在熔鑄過程中增強(qiáng)相的偏聚，保證增強(qiáng)相尺寸要求與增強(qiáng)相分布均勻，鈦基復(fù)合材料熔體需要經(jīng)過多次熔煉，有時(shí)熔鑄坯料表面質(zhì)量比較差，如圖1所示[26]。嚴(yán)佳宏[27]的研究結(jié)果表明，經(jīng)過3次真空自耗熔煉的TiBw/Ti6242復(fù)合材料中的陶瓷增強(qiáng)相(TiBw)呈彌散分布，有利于提升TiB/Ti6242復(fù)合材料的力學(xué)性能。同時(shí)，鈦基復(fù)合材料內(nèi)部存在微觀組織缺陷，需要經(jīng)過熱變形工藝消除其微觀組織缺陷，以利于二次成形加工。

1.2真空熱壓燒結(jié)工藝

鈦基復(fù)合材料的真空熱壓燒結(jié)工藝是以放熱擴(kuò)散工藝為基礎(chǔ)，將放熱反應(yīng)生成增強(qiáng)相工藝和隨后熱固結(jié)工藝合二為一，將原材料粉末混合后一起加熱制備出鈦基復(fù)合材料;通過熱壓燒結(jié)過程中混合粉末之間的原位反應(yīng)生成增強(qiáng)相，此工藝類似于熱等靜壓工藝。真空熱壓燒結(jié)工藝中，鈦基復(fù)合材料各組元在真空或者氣氛保護(hù)熱壓下直接發(fā)生原位反應(yīng)生成超細(xì)的增強(qiáng)相顆粒，增強(qiáng)相與基體鈦合金之間相容性比較好、界面結(jié)合強(qiáng)度比較高。真空熱壓燒結(jié)工藝過程是:(1)混合粉末致其均勻;(2)對(duì)混合后的粉末進(jìn)行處理，包括真空下除氣、冷等靜壓和熱壓燒結(jié)。鈦基復(fù)合材料熱壓燒結(jié)過程中，外加壓力使鈦基復(fù)合材料致密化;燒結(jié)溫度比較低，微觀組織可控，能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)件的近凈成形制造。鈦基復(fù)合材料的真空熱壓燒結(jié)工藝簡單，是制備鈦基復(fù)合材料的常用工藝，已經(jīng)制備出直徑為300mm坯料、單件重量為100kg構(gòu)件，如圖2所示[28]。

1.3放電等離子燒結(jié)工藝

鈦基復(fù)合材料的放電等離子燒結(jié)工藝是采用脈沖直流電產(chǎn)生等離子體迅速加熱石墨模具內(nèi)的反應(yīng)粉末進(jìn)行燒結(jié)的制備工藝，如圖3所示[29]。放電等離子燒結(jié)工藝具有傳統(tǒng)粉末冶金工藝的特點(diǎn)，同時(shí)具有更高的升溫速度(最高為1000℃·min^-1)、更短的保溫時(shí)間(約10min)、更低的燒結(jié)溫度(比傳統(tǒng)燒結(jié)工藝低200~300℃)等優(yōu)點(diǎn)，在粉末快速致密化過程中降低了能耗。放電等離子燒結(jié)工藝具有生產(chǎn)效率較高、微觀組織細(xì)小均勻、致密度較高等特點(diǎn)。然而，放電等離子燒結(jié)工制備的鈦基復(fù)合材料存在坯料尺寸較小、形狀比較簡單、生產(chǎn)成本較高和模具容易污染等問題。

1.4激光增材工藝

鈦基復(fù)合材料的激光增材工藝是采用無模具與工裝下快速制造任意形狀構(gòu)件的全數(shù)字化快速制造原理，以激光為能量源，通過逐層熔化沉積，由CAD模型逐步完成高性能“近終形”復(fù)雜構(gòu)件的快速制造，是一種將高性能鈦基復(fù)合材料制備與近終形構(gòu)件制造融為一體的無模、非接觸與數(shù)字化制造工藝。此工藝為高增強(qiáng)相含量、大尺寸復(fù)雜鈦基復(fù)合材料構(gòu)件的快速制造提供了新途徑，如圖4所示[30]。但是，鈦基復(fù)合材料激光增材工藝對(duì)工藝參數(shù)要求比較嚴(yán)格，制備的鈦基復(fù)合材料的橫截面具有典型的熔池特征，為了滿足鈦基復(fù)合材料的微觀組織要求，需要采用熱處理工藝調(diào)整鈦基復(fù)合材料的微觀組織。LI L等[31-32]研究表明，與激光增材制備的Ti64基復(fù)合材料相比，激光增材制備的TiBw/Ti6242復(fù)合材料的室溫力學(xué)性能優(yōu)異(圖中五角星)，其抗拉強(qiáng)度達(dá)1376MPa，伸長率為3.7%，如圖5[22,24-25,31-36]所示。

2、熱變形工藝

對(duì)于鈦基復(fù)合材料，一方面需要采用熱變形工藝消除在熔鑄、激光增材等制備過程中形成的內(nèi)部缺陷，調(diào)整鈦基復(fù)合材料的微觀組織與改善力學(xué)性能，降低鈦基復(fù)合材料提前失效的風(fēng)險(xiǎn)，為鈦基復(fù)合材料構(gòu)件制造提供高質(zhì)量的原材料;另一方面，采用熱變形工藝對(duì)鈦基復(fù)合材料進(jìn)行二次成形加工，不僅能夠進(jìn)一步提升鈦基復(fù)合材料的力學(xué)性能，而且能夠制造出高性能的鈦基復(fù)合材料構(gòu)件，達(dá)成鈦基復(fù)合材料構(gòu)件成形與成性的目的。因此，采用包括鍛造、擠壓和軋制等代表性熱變形工藝制造出滿足鈦基復(fù)合材料構(gòu)件形狀需求的同時(shí)，進(jìn)一步提升其力學(xué)性能，是制造高性能鈦基復(fù)合材料構(gòu)件的重要途徑

對(duì)于鈦基復(fù)合材料，一方面由于增強(qiáng)相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增加了鈦基復(fù)合材料的熱變形抗力，對(duì)熱變形制造設(shè)備的要求比基體鈦合金的要求更高;另一方面增強(qiáng)相對(duì)鈦基復(fù)合材料微觀組織演變的影響比對(duì)基體鈦合金的影響更為復(fù)雜，不僅容易出現(xiàn)微觀組織不均勻現(xiàn)象，而且調(diào)控鈦基復(fù)合材料熱變形后的微觀組織更難。特別是比較硬的增強(qiáng)相與比較軟的基體鈦合金之間的變形不協(xié)調(diào)效應(yīng)更明顯，容易形成孔洞等缺陷，這些缺陷是鈦基復(fù)合材料構(gòu)件服役過程中的裂紋源，為了抑制或者消除鈦基復(fù)合材料中的內(nèi)部缺陷，進(jìn)一步加大了鈦基復(fù)合材料的熱變形加工難度。由于增強(qiáng)相控制了基體鈦合金的晶粒尺寸，有時(shí)基體鈦合金的晶粒度可以降低一個(gè)數(shù)量級(jí);與基體鈦合金相比，增強(qiáng)相含量比較低的鈦基復(fù)合材料可以省略β相區(qū)的開坯鍛造工序，直接進(jìn)行熱變形[21]。因此，鈦基復(fù)合材料熱變形時(shí)的核心問題是:通過優(yōu)選熱變形條件，調(diào)整增強(qiáng)相取向與分布、調(diào)控基體鈦合金的微觀組織、降低熱變形制造鈦基復(fù)合材料構(gòu)件形成缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)成提升鈦基復(fù)合材料構(gòu)件的高溫持久與蠕變性能的目的。

2.1鍛造工藝

鍛造工藝能夠有效細(xì)化鈦基復(fù)合材料鑄錠的微觀組織，獲得微觀組織與力學(xué)性能相匹配的鈦基復(fù)合材料與構(gòu)件，但是鈦基復(fù)合材料對(duì)鍛造工藝參數(shù)十分敏感，其鍛造工藝窗口很窄，必須嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)移時(shí)間、鍛造溫度、變形量和速度等重要工藝參數(shù)，系統(tǒng)優(yōu)化鈦基復(fù)合材料構(gòu)件的微觀組織與力學(xué)性能，如圖6所示[37]。DU Z Y等[38]闡明了真空熱壓燒結(jié)制備的TiBw/Ti55復(fù)合材料在α+β相區(qū)等溫壓縮時(shí)陶瓷增強(qiáng)相對(duì)基體Ti55鈦合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響機(jī)理，如圖7所示。DU Z Y等[39]揭示了真空熱壓燒結(jié)制備的TiBw/Ti55復(fù)合材料等溫壓縮時(shí)孔洞的演化規(guī)律與機(jī)理，發(fā)現(xiàn)基體Ti55鈦合金對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部裂紋萌生具有一定的抑制作用，但是熱變形加速了復(fù)合材料內(nèi)部的位錯(cuò)塞積轉(zhuǎn)化為應(yīng)力集中并傳遞給陶瓷增強(qiáng)相，一旦產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過陶瓷增強(qiáng)相的強(qiáng)度，將在垂直于陶瓷增強(qiáng)相/基體鈦合金的界面萌生裂紋使陶瓷增強(qiáng)相碎化，碎片化后的陶瓷增強(qiáng)相將發(fā)生遷移與分離，形成內(nèi)部空洞缺陷，如圖8所示。通常情況下，熱模鍛造的模具溫度較低，鍛造時(shí)熱量損失較大，鍛造工藝受限比較多，僅僅依靠單一調(diào)整鍛造溫度或者道次壓下量或者速度對(duì)鈦基復(fù)合材料構(gòu)件的微觀組織與力學(xué)性能的提升作用有限。真空熱壓燒結(jié)制備的TiBw/TA15復(fù)合材料等溫壓縮過程中的表面完整、沒有出現(xiàn)凹坑和裂紋等缺陷，表明具有一定的塑性變形能力;真空熱壓燒結(jié)制備的TiBw/TA15復(fù)合材料等溫壓縮后的室溫最大伸長率為9.2±0.3%、抗拉強(qiáng)度為(1100±18)MPa，與真空熱壓燒結(jié)制備的TiBw/TA15復(fù)合材料的室溫最大伸長率(3.5%±0.25%)和抗拉強(qiáng)度(1015±6)MPa相比，分別提升了163%和8.4%[40]。熔鑄制備的 TiBw/Ti-6Al-2.5Sn-4Zr-0.7Mo-0.3Si復(fù)合材料經(jīng)過多向鍛造后的室溫屈服強(qiáng)度和強(qiáng)度極限分別為(1124.8±9.4) MPa、(1172±10.1)MPa，極限伸長率為3.97%±0.7%[41]。LI L等[42]優(yōu)化了真空熱壓燒結(jié)制備的TiBw/Ti55復(fù)合材料的鍛造工藝參數(shù)，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)真空熱壓燒結(jié)制備的TiBw/Ti55復(fù)合材料等溫鍛造后，在沒有塑性損失的情況下，室溫拉伸強(qiáng)度極限提升了150MPa(五角星)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)塑性的良好匹配，如圖10所示[41-42,44-50]。真空熱壓燒結(jié)制備的TiBw/Ti-6Al-4V復(fù)合材料經(jīng)過4道次多向鍛造后的室溫抗拉強(qiáng)度為1200 MPa、最大伸長率為9%，經(jīng)過7道次多向鍛造后的室溫抗拉強(qiáng)度為1286 MPa、最大伸長率為4.7%[43]。上述研究結(jié)果表明，鍛造工藝對(duì)提升鈦基復(fù)合材料的力學(xué)性能有顯著作用[42-43]。

2.2擠壓工藝

鈦基復(fù)合材料在擠壓過程中處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)低塑性鈦基復(fù)合材料的塑性變形與微觀組織細(xì)化十分有利，并且是制備鈦基復(fù)合材料棒材、管材和型材的必要工藝途徑。鈦基復(fù)合材料擠壓時(shí)的模具預(yù)熱溫度為500℃左右，擠壓溫度為1000℃以上，鈦基復(fù)合材料橫截面上的溫差比較大，變形不均勻十分嚴(yán)重，需要通過增大擠壓比和提高擠壓速度改善鈦基復(fù)合材料的變形不均勻性，因此需要大噸位的擠壓設(shè)備，同時(shí)需要合理控制擠壓比和擠壓速度防止變形熱的急劇增加對(duì)擠壓變形不均勻性的影響。采用正擠壓、反擠壓、等通道轉(zhuǎn)角擠壓和包套擠壓工藝制備的鈦基復(fù)合材料如圖11所示[51-54]。

鈦基復(fù)合材料在β相區(qū)擠壓后的微觀組織為片層狀，限制了采用熱處理工藝調(diào)整其微觀組織的裕度。包套擠壓制備的TiBw/Ti-6Al-4V復(fù)合材料的室溫抗拉強(qiáng)度和最大伸長率分別為1274 MPa和9.4%，鈦基復(fù)合材料包套擠壓時(shí)需要嚴(yán)格控制預(yù)燒結(jié)溫度和擠壓溫度，否則會(huì)產(chǎn)生孔洞和界面反應(yīng)層等缺陷，降低鈦基復(fù)合材料的致密度，難以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用[53]。項(xiàng)娟[54]研究表明，真空自耗電弧熔煉制備的(TiB+La2O3)/Ti-6Al-4V復(fù)合材料的室溫抗拉強(qiáng)度和最大伸長率分別為956 MPa和13.25%，700℃下對(duì)真空自耗電弧熔煉制備的(TiBw+La2O3)/Ti-6Al-4V復(fù)合材料等通道轉(zhuǎn)角擠壓后，室溫抗拉強(qiáng)度為1100MPa，800℃下的室溫抗拉強(qiáng)度為1128MPa;與真空自耗電弧熔煉制備的復(fù)合材料相比，(TiBw+La2O3)/Ti-6Al-4V復(fù)合材料等通道轉(zhuǎn)角擠壓后，室溫抗拉強(qiáng)度提升了18%，最大伸長率為10%左右，塑性略有下降。真空熱壓燒結(jié)制備的TiB/Ti60復(fù)合材料的室溫抗拉強(qiáng)度和最大伸長率分別為(1080±6) MPa和1.5%±0.2%，對(duì)真空熱壓燒結(jié)制備的Ti60/TiBw復(fù)合材料擠壓后，室溫抗拉強(qiáng)度和最大伸長率分別為(1377±5)MPa和5.0%±0.3%[55]。

2.3軋制工藝

鈦基復(fù)合材料軋制過程中的形變強(qiáng)化和晶粒細(xì)化效應(yīng)將提升其強(qiáng)度和塑性，但是增大軋制量，容易使增強(qiáng)相折斷，導(dǎo)致復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性降低。采用多道次軋制工藝能夠細(xì)化鈦基復(fù)合材料的微觀組織，增強(qiáng)相趨于定向分布與均勻分布，同時(shí)消除微觀組織缺陷，從而能夠獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，并且是制備鈦基復(fù)合材料板材和箔材的必要工藝途徑。但是，鈦基復(fù)合材料在軋制過程中與軋輥的溫差比較大，熱量損失比較多，要求增大軋制速度、減小道次軋制量和增加軋制道次，并且回爐加熱頻繁，降低了軋制工藝對(duì)鈦基復(fù)合材料的微觀組織和力學(xué)性能的改善作用。因此，需要優(yōu)化鈦基復(fù)合材料的軋制條件。黃菲菲[56]研究表明，熔鑄制備的TiBw/Ti-6Al-4Sn-10Zr-1Mo-1Nb-1W-0.25Si-0.3Y復(fù)合材料軋制后的抗拉強(qiáng)度和最大伸長率由鑄態(tài)的828.1 MPa和 0.7%分別提升到 1341.7 MPa和3.6%，室溫抗拉強(qiáng)度提升了62%。熔鑄制備的(TiB+TiC)/Ti-6Al-2.5Sn-4Zr-0.7Mo-0.3Si復(fù)合材料軋制后，室溫抗拉強(qiáng)度和最大伸長率由熔鑄狀態(tài)的1097.8 MPa和1.29%提升到α+β相區(qū)軋制狀態(tài)的1327.6 MPa和3.82%;β相區(qū)軋制狀態(tài)的1298.6 MPa和4.94%[57]，最大伸長率提升了282.9%。

3、熱處理工藝

為了使金屬構(gòu)件具有定制的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和成形工藝之外，金屬構(gòu)件的熱處理工藝必不可少。與熱變形工藝相比，熱處理工藝在不改變鈦基復(fù)合材料構(gòu)件形狀和整體化學(xué)成分的條件下，通過改變構(gòu)件的微觀組織，賦予或者改善構(gòu)件的使用性能。由于陶瓷增強(qiáng)相的熱穩(wěn)定性比較好，在鈦基復(fù)合材料的熱處理過程中幾乎不發(fā)生變化。因此，鈦基復(fù)合材料的熱處理工藝是針對(duì)基體鈦合金的微觀組織進(jìn)行調(diào)控。同時(shí)，需要考慮鈦基復(fù)合材料的特殊性:(1)Ti-6Al-4V鈦合金熱處理后的微觀組織由針狀α集束+晶間β相構(gòu)成，TiBw/Ti-6Al-4V復(fù)合材料熱處理后的基體Ti-6Al-4V鈦合金由等軸α相+晶間β相組成，陶瓷增強(qiáng)相TiBw促進(jìn)了等軸α相的形成;(2)陶瓷增強(qiáng)相TiBw明顯推遲了基體鈦合金的相變，有利于提高鈦基復(fù)合材料的軟化溫度或者相變溫度，從而提升鈦基復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度和使用溫度。雖然，陶瓷增強(qiáng)相TiB在鈦基復(fù)合材料熱處理過程中屬于穩(wěn)定相，但是，陶瓷增強(qiáng)相TiB會(huì)影響基體鈦合金熱處理過程中的相變、析出相形核和晶粒長大等。鈦基復(fù)合材料熱處理過程中的加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度是影響其微觀組織的主要因素，其中加熱溫度決定晶粒尺寸、相組成與比例。雖然，基體鈦合金在β相區(qū)的β晶粒容易粗化，降低了鈦基復(fù)合材料的塑性，但是，由于陶瓷增強(qiáng)相對(duì)基體鈦合金的晶粒長大有抑制作用，可以對(duì)鈦基復(fù)合材料進(jìn)行合適的β熱處理。

戎旭東等[58]研究表明，真空熱壓燒結(jié)制備的TiBw/Ti60復(fù)合材料的室溫抗拉強(qiáng)度為1105 MPa、最大伸長率為1.2%，經(jīng)過1100℃x1h固+600℃x 8h時(shí)效處理后，TiBw/Ti60復(fù)合材料的室溫抗拉強(qiáng)度為1552 MPa、最大伸長率為1.5%;經(jīng)過1000℃x1h固溶、600℃x8h時(shí)效處理后的室溫抗拉強(qiáng)度為1460MPa、最大伸長率為2.2%，說明熱處理提升了復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。雖然，真空熱壓燒結(jié)制備的TiBw/Ti60復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度比較高，塑性比較低;但是，熱處理能夠消除復(fù)合材料制備過程中造成的元素偏析。李九霄[59]研究表明,熔鑄制備的(TiB+La2O3)/Ti-6.6Al-4.6Sn-4.6Zr-0.9Nb-1Mo-0.32Si復(fù)合材料經(jīng)過990℃x2 h+AC固溶+600℃x4h+AC時(shí)效的α+β處理后的室溫屈服強(qiáng)度為1103 MPa、最大伸長率為16%，經(jīng)過1060℃x1 h+WQ/AC/OC固溶+650℃x2 h+AC時(shí)效的β處理后的室溫屈服強(qiáng)度為1087MPa，說明熔鑄制備的(TiB+La2O3)/Ti-6.6Al-4.6Sn-4.6Zr-0.9Nb-1Mo-0.32Si復(fù)合材料β水冷或者油冷處理后的屈服強(qiáng)度明顯高于β空冷處理后的屈服強(qiáng)度，因?yàn)棣滤浜陀屠涮幚砗蟮奈⒂^組織為針狀α片層，所以復(fù)合材料的室溫拉伸性能比較低。熔鑄制備的TiBw/Ti-6Al-4V復(fù)合材料經(jīng)過擠壓和990℃固溶+水冷處理后的室溫強(qiáng)度極限由擠壓狀態(tài)的1207MPa提升到1312MPa、最大伸長率由12%降低為4%，經(jīng)過擠壓和9次960℃x10 min+750℃x10 min+空冷處理后的室溫抗拉強(qiáng)度和最大伸長率分別由1192 MPa和2.35%改變?yōu)?087 MPa和8.73%[60];室溫抗拉強(qiáng)度下降了8.8%，最大伸長率提升了271.5%。激光增材制備的Ti65鈦合金、體積分?jǐn)?shù)分別為1%和2%的TiBw/Ti65復(fù)合材料經(jīng)過5次加熱冷卻后的最大伸長率分別提升了13.04%、83.33%和45.26%[61]。真空熱壓燒結(jié)制備的TiBw/Ti-6Al-4V復(fù)合材料經(jīng)過多向鍛造后的室溫抗拉強(qiáng)度為1286MPa和最大伸長率為4.7%，循環(huán)熱處理后的室溫最大伸長率達(dá)到10%以上，提升了112%以上，抗拉強(qiáng)度降低到1000MPa[43]，下降了22.4%。

與熔鑄制備的TiBw/Ti6242復(fù)合材料熱處理前相比，在不損失室溫最大伸長率或者損失比較少的情況下，熔鑄制備的TiBw/Ti6242復(fù)合材料熱處理后的室溫抗拉強(qiáng)度提升了14%~21%;時(shí)效溫度為600℃時(shí)，熱處理后的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1297.53和1160.4MPa;時(shí)效溫度為650℃時(shí)，熱處理后的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1263.12、1150.92MPa，最大伸長率由8.56%降低為6.68%;時(shí)效溫度為700℃時(shí)，熱處理后的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提升了13.31%和12.48%，最大伸長率降低為7.38%(圖13五角星)，在同類型鈦基復(fù)合材料中展現(xiàn)出較好的強(qiáng)塑性匹配，如圖13所示[22,25,27,35,61-70]。譚驍[71]研究表明，添加B4C的激光增材Ti65復(fù)合材料經(jīng)熱處理后，700℃的抗拉強(qiáng)度最大為657.4MPa，最大伸長率為42.25%。與近α鈦合金或者鈦基復(fù)合材料的700℃拉伸力學(xué)性能比較，發(fā)現(xiàn)添加B4C的激光增材制備的Ti65復(fù)合材料熱處理后具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，即使是與增強(qiáng)相含量高的鈦基復(fù)合材料相比，添加B4C的激光增材制備的Ti65復(fù)合材料熱處理后仍然具有很好的高溫強(qiáng)度(圖14中五角星)，最大伸長率不低于未增強(qiáng)的近α鈦合金，如圖14所示[44,71-78]綜上所述，合理的熱處理工藝能夠有效控制鈦基復(fù)合材料的微觀組織轉(zhuǎn)變，提升其綜合力學(xué)性能。

4、熱變形構(gòu)件應(yīng)用

鈦基復(fù)合材料構(gòu)件包括室溫下和高溫下使用的構(gòu)件，坦克履帶連接件和汽車零件為室溫下使用構(gòu)件，航天飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)用氣動(dòng)格柵為高溫下使用構(gòu)件，如圖15所示[28,81-83]。對(duì)于室溫下使用的鈦基復(fù)合材料構(gòu)件一般要求其強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)減重效果和耐腐蝕性能比較好，坦克履帶連接件還需要考慮其耐磨性能;對(duì)于高溫下使用的鈦基復(fù)合材料構(gòu)件一般要求其使用溫度、高溫強(qiáng)度、高溫蠕變性能和結(jié)構(gòu)減重效果。

日本豐田汽車公司將鈦基復(fù)合材料應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣閥和排氣閥制造,閥門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重量減輕了40%,氣門彈簧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重量減輕了16%，因此，減輕了整車質(zhì)量，提升了車輛的有效載荷。由于提升了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功效，高速行駛時(shí)噪音降低了30%。同時(shí)，由于鈦基復(fù)合材料的耐腐蝕性能優(yōu)良，因而顯著減少了整車排氣系統(tǒng)的更換次數(shù)。采用鈦基復(fù)合材料制造的懸架彈簧由于彈性模量更高，與高強(qiáng)度鋼相比，能夠減少懸架彈簧的匝數(shù)和直徑，因此懸架彈簧的結(jié)構(gòu)重量減輕了35%~70%[79]。柴宏宇[80]研究表明，與TA15鈦合金相比，(TiB+TiSi3)/TA15復(fù)合材料構(gòu)件在600℃、265 MPa下其蠕變斷裂壽命提升了29倍，應(yīng)變量減小了63%;在650℃、150MPa下其蠕變斷裂壽命提升了56倍，應(yīng)變量減小了73%;在700℃、100MPa下其蠕變斷裂壽命提升了58倍，應(yīng)變量減小了81%;同時(shí)，(TiB+Ti5Si3)/TA15復(fù)合材料構(gòu)件的持久性能也得到了大幅度提升。黃陸軍等[81]采用鈦基復(fù)合材料制造的航天發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)格柵尺寸為Φ580mmx10mm，使用溫度為720℃，單個(gè)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)重量減輕了46.9%。TiBw/TC4復(fù)合材料擠壓絲材的室溫強(qiáng)度極限為1118MPa、最大伸長率為21.9%，斷面收縮率為29%;經(jīng)過熱處理后的室溫抗拉強(qiáng)度為1334MPa，最大伸長率為11%，斷面收縮率為23%，剪切強(qiáng)度為740MPa，與國外同類產(chǎn)品相比，剪切強(qiáng)度提升了13.8%;根據(jù)NAS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺栓類緊固件進(jìn)行了疲勞性能測試，螺栓13萬次未斷[28]。

5、結(jié)論

(1)非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料常用的原位反應(yīng)自生制備工藝包括:熔鑄工藝、真空熱壓燒結(jié)制備工藝、放電等離子燒結(jié)工藝和激光增材工藝。熔鑄工藝可以批量制備出大尺寸鈦基復(fù)合材料，真空熱壓燒結(jié)工藝容易制備出力學(xué)性能比較高的鈦基復(fù)合材料，放電等離子燒結(jié)工藝可以制備出致密度高的鈦基復(fù)合材料，激光增材工藝將高性能鈦基復(fù)合材料制備與構(gòu)件制造融為一體，容易實(shí)現(xiàn)智能化與快速制造。

(2)熱變形工藝不僅能夠消除鈦基復(fù)合材料制備過程中形成的內(nèi)部缺陷，而且通過塑性變形調(diào)整微觀組織進(jìn)而同步改善鈦基復(fù)合材料構(gòu)件的強(qiáng)度與塑性。

(3)鈦基復(fù)合材料的熱處理工藝可以進(jìn)一步調(diào)整基體鈦合金的微觀組織。鈦基復(fù)合材料熱處理后的室溫極限伸長率提升明顯，室溫強(qiáng)度極限也有所改善，合理的熱處理工藝優(yōu)化了鈦基復(fù)合材料的強(qiáng)度-塑性匹配，提升了復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。

(4)鈦基復(fù)合材料熱變形構(gòu)件的應(yīng)用不僅顯著減輕了裝備部件的結(jié)構(gòu)重量，而且經(jīng)過熱變形和熱處理后鈦基復(fù)合材料的使用壽命得到顯著提升。

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（注，原文標(biāo)題：鈦基復(fù)合材料及其熱變形工藝研究進(jìn)展_李淼泉）

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