TiBw/Ti钛基复合材料增强相分布网状结构参数调控和强化规律

批准号：

52071116

项目类别：

面上项目

资助金额：

60.0 万元

负责人：

耿林

依托单位：

哈尔滨工业大学

学科分类：

金属基复合材料与结构功能一体化

结题年份：

2024

批准年份：

2020

项目状态：

已结题

项目参与者：

耿林

关键词：

强化机理钛基复合材料非连续增强网状结构力学性能

项目摘要

结项摘要

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中文摘要

前期研究表明，调控增强相空间分布是进一步提高TiBw/Ti钛基复合材料综合性能的有效途径，与增强相均匀分布相比，网状结构TiBw/Ti钛基复合材料的塑性明显改善，刚度和耐热性进一步提升，但网状分布特征也同时限制了增强相的总体含量，目前报道的网状结构TiBw/Ti钛基复合材料中TiB增强相的体积分数一般不超过10%，因此一定程度上限制了复合材料强度和刚度的进一步提高。本项目通过调控网状结构TiBw/Ti钛基复合材料中的网状尺寸和形状参数，设计并制备出TiB体积分数可以在20%以内定量调控的网状结构TiBw/Ti钛基复合材料，建立网状结构参数-增强相体积分数-复合材料力学性能三者的定量关系，研究网状结构TiBw/Ti钛基复合材料的强化规律和强化机理，使网状结构TiBw/Ti钛基复合材料在保持具有一定室温塑韧性的同时，强度和刚度有一个突破式提升，进一步扩大钛基复合材料的应用范围。

英文摘要

Previous studies have shown that regulating the spatial distribution of reinforcement is an effective way to further improve the comprehensive properties of TiBw/Ti titanium matrix composites. Compared with the uniform distribution of reinforcement, the ductility of TiBw/Ti composites with network microstructure is significantly improved, the stiffness and heat resistance are further improved. However, the overall volume fraction of reinforcement is also limited by the network distribution characteristics. Up to date, the volume fraction of TiB reinforcement is generally limited less than 10% in the network structured TiBw/Ti composites, which limits the further improvement of the strength and stiffness of the composites. In this project, by regulating the network size and shape parameters of the network structured TiBw/Ti titanium matrix composites, novel network structured TiBw/Ti composites with controllable 20vol.% TiB reinforcement would be successfully designed and fabricated. Moreover, the quantitative relationship among the network structure parameters, reinforcement volume fraction and mechanical properties of the composites will be established to study the strengthening mechanism of the novel network structured TiBw/Ti titanium matrix composites. Investigation on the strengthening mechanism will make the TiBw/Ti titanium matrix composite have decent ductility and toughness at room temperature, while the strength and stiffness will have a significant improvement. The present investigation will further expand the application scope of titanium matrix composites.

增强相空间分布是提高TiBw/Ti钛基复合材料综合性能的有效途径，增强相网状结构分布使得钛基复合材料具有优异的室温强塑性，然而网状分布的特征限制了增强相的总体含量，目前报道的网状结构TiBw/Ti钛基复合材料中TiB增强相体积分数一般不超过10%，因此一定程度上限制了复合材料强度和刚度的进一步提高。针对这一问题开展高增强相含量钛基复合材料研究，通过设计网状结构形状与参数，制备系列钛基复合材料，研究网状结构参数对系列钛基复合材料的影响规律，揭示复合材料强化机理。本项目采用<15μm、15~35μm、35~53μm、53~105μm四种不同粒径的球形钛粉和粒径0.5μm的硼粉作为原材料，控制TiBw体积分数为12.5vol.%和22.5%，制备钛基复合材料。建立网状结构理论模型可知，TiBw含量为12.5vol.%时对应最佳Ti粉平均直径为25μm，TiBw含量为22.5vol.%时Ti粉的最佳平均粒径为8μm。通过控制球磨转速和球磨时间，揭示了球磨参数对硼粉分布与钛粉形状的影响规律。利用反应热力学与烧结动力学设计了烧结工艺，并依据烧结工艺制备出系列钛基复合材料。通过电感耦合等离子光谱仪揭示了钛粉粒径对制备过程中硼损耗量的影响。统计了不同制备工艺与网状结构参数下TiBw的长度和长径比，结合原始钛粉尺寸定量表征了局部增强相含量，并将系列复合材料分为均匀分布、等轴网状分布和扁平网状分布。分析了网状结构参数与温度对复合材料弹性模量的影响规律。揭示了制备参数与网状结构参数对复合材料拉伸性能和弯曲性能的影响规律，建立网状结构参数-增强相体积分数-复合材料力学性能三者的定量关系。结合对组织与断口的分析可知，复合材料的强化机理应包括细晶强化、载荷传递强化和Orowan强化。利用有限元法定量表征了不同结构复合材料中，基体和增强相的应力应变分布。按照项目要求完成了探索。发表论文20篇，授权发明专利2项。课题组邀请境外知名专家来校交流访问5人次，课题组参加国内外学术会议6人次。培养博士生3名，硕士生4名均已毕业。