TiB+TiC+La2O3三元顆粒增強IMI834鈦基復(fù)合材料的裂紋擴展行為

，，，，

(上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室，上海 200240)

0 引 言

鈦及鈦合金具有強度高、耐高溫、耐腐蝕、密度小等優(yōu)點，在航空、航天等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[1-3]。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，對材料性能的要求越來越集中于輕質(zhì)、高強、高韌及高剛度等方面[4]，因此，比鈦具有更高強度和更高彈性模量的鈦基復(fù)合材料受到了眾多學(xué)者的關(guān)注。與連續(xù)纖維增強鈦基復(fù)合材料相比，顆粒增強鈦基復(fù)合材料由于制備工藝簡單，性能提升明顯且具有各向同性等優(yōu)點，逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點[5-7]。在制備顆粒增強鈦基復(fù)合材料時，增強體可以通過原料之間的化學(xué)反應(yīng)原位合成，這使得增強體與基體之間的相容性更好、界面更潔凈、結(jié)合能力更強[8-10]。在增強體選擇上，TiB和TiC被認為是最理想的增強體，這與二者具有與鈦基體相近的熱膨脹系數(shù)、良好的化學(xué)相容性有關(guān)[11-13]；而稀土元素的添加可以有效凈化雜質(zhì)元素，生成稀土氧化物，從而實現(xiàn)彌散強化效果[14-15]。因此，多元顆粒增強鈦基復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能[9-10,16-17]。

在顆粒增強鈦基復(fù)合材料的抗裂紋擴展性能方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了多方面的研究。SOBOYEJO等[18]在研究TiB增強Ti6Al4V合金復(fù)合材料的裂紋擴展行為時發(fā)現(xiàn)，裂紋萌生于該復(fù)合材料中斷裂增強體和基體的界面處，在應(yīng)力作用下裂紋向基體中擴展，最終導(dǎo)致斷裂，BOEHLERT等[19]通過原位拉伸試驗也得到了相同的結(jié)論。現(xiàn)有研究[16-17,20-21]還發(fā)現(xiàn)，TiC和TiB在加工過程中的破碎和斷裂會提高裂紋尖端應(yīng)力，加快裂紋擴展，導(dǎo)致材料抵抗裂紋擴展能力下降。然而目前，對鈦基復(fù)合材料中裂紋擴展的研究大多集中在TiB或TiC單元顆粒增強鈦基復(fù)合材料上，而對多元顆粒增強鈦基復(fù)合材料中的裂紋擴展行為研究尚有待深入。

為此，作者通過真空自耗熔煉法原位合成TiB+TiC+La2O3三元顆粒增強IMI834鈦基復(fù)合材料(簡稱為TiB+TiC+La2O3/IMI834復(fù)合材料)，研究了多元顆粒增強體對顯微組織和裂紋擴展行為的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗原料為碳粉，粒徑5～7 μm；B4C粉，粒徑5～10 μm；LaB6粉，粒徑61～74 μm；海綿鈦和中間合金。基體合金為高溫近α鈦基合金IMI834[22]，其名義成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為Ti-5.8Al-4.0Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C。

按照增強相(TiB+TiC+La2O3)體積分數(shù)為0.5%，TiB與TiC物質(zhì)的量比為1∶1，IMI834合金名義成分，以及在熔煉過程中發(fā)生的原位反應(yīng)計算并稱取試驗原料，原位反應(yīng)方程為

(1)

(2)

(3)

利用ZKY-10A型真空自耗熔煉爐進行熔煉，熔煉三次后得到φ100 mm×120 mm的鈦基復(fù)合材料鑄錠。將鑄錠在1 020 ℃(α+β兩相區(qū))進行鍛造，變形量為60%，鍛造完成后進行750 ℃去應(yīng)力退火2 h，空冷至室溫。

在復(fù)合材料上截取金相試樣，用1 mL HF+3 mL HNO3+5 mL H2O組成的混合溶液腐蝕，在ZEISS AxioCam MRc5型光學(xué)顯微鏡(OM)上觀察腐蝕前后的顯微組織。采用FEI QUANTA 250型掃描電鏡(SEM)觀察復(fù)合材料微觀形貌，用附帶的能譜儀(EDS)對顆粒狀物進行成分分析。用D-maxIV A型全自動X射線衍射儀(XRD)對復(fù)合材料進行物相分析，加速電壓為35 kV，電流為20 mA。在ZwickT1-FR100TN.A50型拉伸機上進行拉伸試驗，拉伸試樣為片狀試樣，標距尺寸為15 mm×3.2 mm×1.6 mm，拉伸應(yīng)變速率為10-3s-1。在QBG-100型高頻疲勞試驗機上進行裂紋擴展試驗，采用如圖1所示的緊湊拉伸(CT)試樣，預(yù)制裂紋長度為5 mm，室溫，恒定載荷模式，正弦波形，應(yīng)力比為0.1。

圖1 CT試樣尺寸Fig.1 Size of CT specimen

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

從圖2中可以看出：經(jīng)過α+β兩相區(qū)鍛造和去應(yīng)力退火處理后，復(fù)合材料中鈦合金基體的組織為片層狀，鈦合金晶粒細小，α相片層的厚度約為14.1 μm；在鈦合金基體上均勻分布著呈短棒狀和球狀的兩種顆粒，且界面潔凈。

由圖3可知，鈦合金基體上呈近似球狀的顆粒由鈦和碳元素組成，此顆粒為TiC顆粒。

由圖4可見，復(fù)合材料中含有Ti，La2O3和TiB，未發(fā)現(xiàn)TiC，這和TiC含量較少、峰值較弱有關(guān)[9]。綜上所述，在試驗條件下原位反應(yīng)生成了TiB、TiC、La2O3顆粒，該復(fù)合材料為TiB+TiC+La2O3三元顆粒增強鈦基復(fù)合材料。其中：TiB為有序斜方結(jié)構(gòu)，在原位反應(yīng)過程中，TiB的形核與長大具有優(yōu)先的生長方向，即〈010〉方向，最終呈短棒狀形貌[9,23]，因此圖2中的短棒狀顆粒為TiB；TiC為有序面心立方結(jié)構(gòu)，鈦原子和碳原子的勢能相同，不存在優(yōu)先形核和長大方向，易形成等軸或近似等軸狀顆粒[17]，因此圖2中的球狀顆粒為TiC；而La2O3顆粒由于尺寸過小[16]，未能在光學(xué)顯微鏡下觀測到。

圖2 腐蝕前后復(fù)合材料的顯微組織Fig.2 Microstructure of the composite before (a) and after (b) etching

圖3 復(fù)合材料的SEM形貌和A點EDS譜Fig.3 SEM micrograph (a) and EDS pattern at spot A (b) of the composite

圖5 TiB+TiC+La2O3/IMI834復(fù)合材料內(nèi)部缺陷形貌Fig.5 Defect morphology in TiB+TiC+La2O3/IMI834 composite: (a) stacking faults and (b) broken TiB particles

圖4 復(fù)合材料的XRD譜Fig.4 XRD pattern of the composite

由圖5可知，TiB+TiC+La2O3/IMI834復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷主要有TiB內(nèi)部的堆垛層錯與因TiB顆粒的破碎和斷裂而引入的缺陷。與純鈦合金相比，鈦基復(fù)合材料因增強體的存在會導(dǎo)致更多的內(nèi)部缺陷。

2.2 拉伸性能

試驗測得TiB+TiC+La2O3/IMI834復(fù)合材料的屈服強度為1 010 MPa，抗拉強度為1 150 MPa，分別比IMI834鈦合金的[24]提高了9%和8%。復(fù)合材料的強化機制[9,25]主要有3種：原位生成增強體帶來的細晶強化；拉伸過程中載荷傳遞，由增強體承載；增強體和基體之間因物理性能的差異而向基體內(nèi)部引入大量位錯，如圖6所示，引起的位錯強化。

2.3 裂紋擴展行為

在疲勞試驗時，CT試樣受力循環(huán)3.2×106周次時發(fā)生斷裂失效。由圖7可以看出：復(fù)合材料中的裂紋擴展路徑較為曲折，同時存在穿晶擴展和沿晶擴展兩種方式，且多次產(chǎn)生二次裂紋。鈦基復(fù)合材料的裂紋擴展除了受到鈦合金基體組織的影響外，還受到增強體的影響，因此其裂紋擴展機制不同于傳統(tǒng)鈦合金的。

圖6 復(fù)合材料中IMI834鈦合金基體內(nèi)的位錯形貌Fig.6 Dislocation morphology in IMI834 titanium alloy matrix of the composite

由圖8(a)可見，當復(fù)合材料中的內(nèi)部缺陷較少時，裂紋擴展路徑所受影響較小，裂紋較為曲折，主要表現(xiàn)為沿晶擴展。由圖8(b)可見，當裂紋擴展路徑中存在破碎的TiB增強體時，由于破碎增強體會在基體中引入更多的缺陷，且裂紋易于穿過這些缺陷而擴展，因此裂紋擴展方式由沿晶擴展轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚U展，裂紋擴展路徑較為平直。由圖8(c)可見，當裂紋擴展路徑周圍存在TiC增強體時，易萌生二次裂紋，二次裂紋在擴展的過程與主裂紋匯合。

圖7 TiB+TiC+La2O3/IMI834復(fù)合材料裂紋擴展路徑及裂紋附近微觀形貌Fig.7 Crack propagation path (a) and micromorphology near cracks (b-d) in TiB+TiC+La2O3/IMI834 composite

圖8 TiB+TiC+La2O3/IMI834復(fù)合材料裂紋路徑的SEM形貌Fig.8 SEM images of crack propagation path in TiB+TiC+La2O3/IMI834 composite: (a) intergranular propagation; (b) transgranular propagation and (c) second cracks

通過以上分析可知，增強體對裂紋擴展的作用機制可以分為：(1)在沒有內(nèi)部缺陷的區(qū)域，裂紋未受到增強體影響，多為沿晶擴展，其擴展路徑較為曲折；(2)在存在破碎增強體的缺陷較多的區(qū)域，裂紋易穿過由破碎增強體產(chǎn)生的缺陷而擴展，擴展方式由沿晶擴展轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚U展，擴展路徑較為平直；(3)當存在完整的增強體時，會誘導(dǎo)產(chǎn)生二次裂紋，二次裂紋在擴展的過程中與主裂紋匯合。因此，在缺陷分布較少的區(qū)域，裂紋以沿晶擴展為主；在缺陷分布較多的區(qū)域，缺陷可以改變裂紋擴展方向，并產(chǎn)生二次裂紋。

3 結(jié) 論

(1) 采用原位合成方法制備了TiB+TiC+La2O3三元顆粒增強IMI834鈦基復(fù)合材料，并進行了兩相區(qū)鍛造和去應(yīng)力退火處理，原位合成的短棒狀TiB,球狀TiC以及非常細小的La2O3增強體在鈦合金基體中分布均勻，界面干凈，但部分TiB增強體發(fā)生了破碎。

(2) TiB+TiC+La2O3三元顆粒增強IMI834鈦基復(fù)合材料的屈服強度和抗拉強度分別為1 010 MPa和1 150 MPa，比IMI834鈦合金的提高了9%和8%，強化機制主要為細晶強化、位錯強化和增強體承載。

(3) 在復(fù)合材料中缺陷分布較少的區(qū)域，鈦合金基體組織對裂紋擴展的影響較大，裂紋以沿晶擴展為主，擴展路徑較曲折；在缺陷分布較多的區(qū)域，增強體成為主導(dǎo)裂紋擴展路徑的主要因素，裂紋易穿過由破碎增強體導(dǎo)致的缺陷而擴展，擴展方式由沿晶擴展轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚U展。

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