熱軋制對網狀(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料組織及性能的影響

陳潤，安琦，張芮，劉悅，王帥，黃陸軍，耿林

金屬基復合材料專題

熱軋制對網狀(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料組織及性能的影響

陳潤，安琦，張芮，劉悅，王帥，黃陸軍，耿林

（哈爾濱工業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150001）

為了進一步提高(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的耐高溫性能與強韌性，對燒結態(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料進行熱軋制研究。利用光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）對燒結態與軋制態的鈦基復合材料進行組織觀察。使用電子萬能試驗機和電子蠕變試驗機對燒結態與軋制態的復合材料進行性能表征。通過熱軋制變形，復合材料的顯微組織發生細化，內部產生大量位錯，(TiZr)5Si3硅化物發生固溶并重新析出，數量增多且更細小彌散，隨著軋制變形量的增加，TiB晶須折斷現象加重，相由片層狀向等軸狀轉變。當變形量為60%時，室溫抗拉強度為1238 MPa，較燒結態提高11.8%，伸長率為10.1%，較燒結態提高近1倍，700 ℃下的抗拉強度和伸長率分別為508 MPa和28.6%，較燒結態分別提高了13%和47%。變形量為40%和60%時，復合材料的持久斷裂時間分別為39.8 h和37.3 h，較燒結態分別提高了26.3%和18.4%。熱軋制過程帶來的形變強化、熱處理強化作用，有效提高了(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料的室溫及高溫強韌性水平。抗蠕變性能的變化主要歸因于軋制帶來的組織等軸化、增強相的折斷及取向改變等。

鈦基復合材料；網狀結構；粉末冶金；力學性能

在鈦合金中加入陶瓷強化相制備的非連續增強鈦基復合材料（Discontinuously reinforced titanium matrix composites，DRTMCs），與傳統的鈦合金相比，具有比強度更高、彈性模量更大、耐熱溫度更高等優點。DRTMCs可被用來制作在復雜環境下服役的某些關鍵部件，以提高構件的服役性能或使用溫度[1—2]，因而在諸多領域中都具有良好的使用前景。如代替鈦合金，可提高使用溫度150 ℃左右；取代高溫合金可實現減重50%左右；若代替耐熱鋼，在減重的同時還可提高使用溫度。制備DRTMCs的方法主要分為粉末冶金法與熔鑄法，采用粉末冶金法時，DRTMCs中增強相的含量與分布便于精確控制，所制備構件力學性能優異、同時易于一次性近凈成形。傳統的DRTMCs傾向于將增強相均勻分布在復合材料基體中，這樣做雖然提高了材料的強度與硬度，但嚴重影響了復合材料的室溫塑性，成為了限制DRTMCs發展的瓶頸問題[3—4]。在前人研究的基礎上，黃陸軍等[5—7]利用Hashin-Shtrikman（H-S）理論及晶界強化理論，結合粉末冶金和原位自生的方法，設計并制備出一種增強相呈準連續網狀分布的鈦基復合材料，這種獨特的網狀結構很好地改善了DRTMCs的室溫塑性，并且保持了傳統DRTMCs在室溫和高溫下的強化效果。為了進一步滿足航空航天領域對高溫輕質構件在600～800 ℃下的使用性能要求，文中選取研究較為成熟的TA15(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)鈦合金作為基體，在設計出網狀結構的基礎上，引入更細小的硅化物((TiZr)5Si3)增強相[8]，制備出了混雜增強的網狀(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料。

熱軋制、鍛造、擠壓等變形工藝可以提高復合材料的致密度、組織均勻性等，是進一步提高鈦基復合材料力學性能的有效手段[9—10]。文中深入研究了熱軋制變形對網狀結構(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料組織和性能的影響規律，對軋態復合材料的室溫、高溫拉伸行為以及高溫蠕變行為進行分析，并對材料高溫下的變形與強韌化機理加以闡釋，以期為相關鈦合金及鈦基復合材料的變形加工提供理論與試驗指導，并為關鍵領域提供耐熱溫度600 ℃以上的輕質高強韌結構材料。

1 材料及方法

采用平均粒徑為150 μm的球形TA15粉末（成分見表1），小尺寸的TiB2粉末（純度為99.8%）與小尺寸的Si粉（純度為99.9%）作為原料，TiB2粉末與Si粉平均粒徑均為3 μm。使用行星球磨機在氬氣保護下對原料進行低能球磨以獲得均勻粉末，球磨轉速為200 r/min，球料比為3︰1，時間為5 h。將混合好的粉末進行真空熱壓燒結，燒結工藝為1200 ℃/ 25 MPa/45 min[11]。通過上述工藝獲得(3.5%TiB+2% (TiZr)5Si3)/TA15鈦基復合材料，其中TiBw增強相是靠原位自生反應TiB2+Ti=2TiB形成，而(TiZr)5Si3增強相是由Si與TA15中的Ti，Zr元素發生5(Ti+Zr)+ 3Si=(TiZr)5Si3反應形成。

表1 TA15粉末成分（質量分數）

Tab.1 Compositions of TA15 powders (mass fraction) %

文中通過對燒結態復合材料進行熱軋制變形加工，以進一步調控(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15鈦基復合材料的組織與性能，為減少鈦基復合材料在熱軋制過程中的表面氧化以及開裂，于軋制前在塊體材料表面均勻涂抹BN酒精懸液并風干，之后使用不銹鋼包套。準備工作完成后，將(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料在1100 ℃保溫1 h后進行軋制，軋制變形量分別為40%，60%，80%，軋制速度為0.5 m/s，熱軋制完成后，將所得板材空冷至室溫。

利用光學顯微鏡（型號為OLYPUS PEM-3）、掃描電子顯微鏡（型號為SUPRA55SAPPHIRE）和透射電子顯微鏡（型號為Talos F200）對燒結態與軋制態的鈦基復合材料進行組織觀察。用于OM及SEM觀察的試樣由機械研磨及拋光獲得，觀察前使用Kroll試劑腐蝕8 s以顯示組織。用于TEM觀察的試樣采用離子減薄制備。利用電子萬能試驗機（高溫型號為Instron-5500R、室溫型號為INSTRON-5569）對拉伸性能進行測試，試樣為片狀狗骨型試樣，室溫拉伸試驗試樣標距尺寸為20 mm×6 mm×2 mm，測試時拉伸速率為0.5 mm/min。高溫拉伸試樣標距尺寸為15 mm× 3 mm×1.8 mm，測試時拉伸速率為1 mm/min，高溫拉伸測試溫度為600，650，700 ℃。利用RDL100電子蠕變試驗機測試高溫蠕變性能，高溫蠕變試樣的標距部分尺寸為10 mm×5 mm×2 mm，試驗應力為200 MPa，試驗溫度為650 ℃，均溫時間為10 min，預加載荷大小設定為50 N。拉伸試驗均沿RD（Rolling direction）方向進行。上述力學性能試樣均在線切割后用100#，240#，600#，800#，1200#砂紙依次打磨至光亮，以除去加工痕跡。

2 結果與分析

2.1 軋制對復合材料組織的影響

熱軋制變形后，網狀結構組織的變化示意見圖1[12]。可見，I面上的網狀結構會在壓應力與拉應力共同作用下被壓縮放大，而Ⅱ面上的網狀結構被拉應力拉長，由于垂直于RD的Ⅲ面在RD與TD方向均是不受約束的，因此Ⅲ面上的等軸組織被一定量的壓扁。

TA15基體的組織變化見圖2，可以看出熱軋后組織發生了明顯的細化與形態的轉變，且經不同變形量軋制后，復合材料的顯微組織有明顯差異。如圖2b所示，當變形量較低時，相片層被拉長變細，從圖2c和d可以看出，變形量大時部分相片層被打碎球化或者再結晶。可以看到，變形量為40%時組織為網籃組織。隨著變形量增大，組織中逐漸出現等軸的相，當變形量為60%時，組織已經十分接近雙態組織，當變形量增大到80%時，組織已變為雙態組織。隨著變形量增大，相逐漸向等軸化發展是動態再結晶與球化[13—14]的共同作用所至，同時還表明了變形是在兩相區進行的。盡管文中設定的變形溫度1100 ℃高于(+)/相變溫度，但由于板材較薄，在進行熱軋制的過程當中溫度下降快，致使變形時實際溫度在+兩相區，所以組織表現出典型+兩相區變形時的組織特征。軋制后，增強相的取向與分布也發生了明顯變化，從圖2b看出，I面上的網狀組織僅在ND方向受到壓應力，組織的變形在TD和RD兩個方向上無任何約束，導致晶須在RD與TD方向上雜亂排列，但在ND方向上被打斷，同時增強相之間的連通度發生一定量的減小，但是雖然晶須遭受大的應力折斷，它還是與基體保持良好結合，晶須周圍沒有發現不協調變形或者是由于界面變形應力而造成的孔洞。

圖1 軋制過程中網狀結構鈦基復合材料的變形示意[12]

圖2 (TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料顯微組織

為了進一步探究復合材料軋制后更微觀的組織變化，對其進行TEM分析。變形量為40%時軋制后(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料ND方向TEM組織照片如圖3所示，可以看出，由于產生了較大的塑性變形，在及相內可觀察到大量位錯，并且在/相界面位置形成了位錯墻，如圖3a和b所示。由于軋制在高溫下進行，硅化物在軋制中產生了重新溶解并在/相界再次析出，導致其形貌及尺寸發生了變化。軋制后硅的化合物散布于窄條狀相周邊且形狀為細小粒狀，其分布更加彌散且數量變多，如圖3c和d所示。

圖3 40%軋制變形量軋制后(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料ND方向TEM組織照片

2.2 軋制對復合材料拉伸性能的影響

對不同軋制變形量下的(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15進行室溫拉伸性能測試，應力-應變曲線如圖4所示，分析可知，得益于熱軋制過程引起的熱處理強化和變形強化作用，復合材料的伸長率及抗拉強度均有明顯增加。當變形量為40%時，抗拉強度及伸長率分別為1128.8 MPa和12.1%，強度因熱處理強化和形變強化而提高的同時，伸長率也大幅度提高，伸長率的提高一方面是因為組織的細化，另一方面是由于軋制導致的增強體定向分布與基體連通度的提高。當變形量增大到60%時，抗拉強度為1238.2 MPa，較燒結態提高11.8%，伸長率為10.1%。當變形量為80%時，抗拉強度為1142.9 MPa，伸長率為11.6%。可以發現，當軋制變形量從40%提高到80%的過程中，強度呈先升高后下降的趨勢，相應的伸長率則先降低后升高，這是因為一定變形量下，基體的形變及熱處理強化的效果逐漸顯現出來，組織還保持為較細的層片組織，相的球化和再結晶還沒發生或者說只有極少數演變為等軸，而片層組織的強度被認為要強于雙態組織，此時變形帶來的位錯密度相對處于高點。當變形量繼續增大時，相的球化和再結晶過程充分進行，等軸的相占絕大多數，而的球化和再結晶會使位錯密度下降，從而削弱加工硬化作用，所以導致強度下降，伸長率升高。除了形變及熱處理強化的作用外，變形會導致基體連通度提高，變形量較大時也會導致強度降低和伸長率提高。

圖4 不同變形量軋制態(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15室溫拉伸應力-應變曲線

表2 不同變形量軋制態(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料的拉伸性能

Tab.2 The room temperature tensile properties of (TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15 composites with different rolling reductions

對熱軋態復合材料的高溫拉伸性能進行測試。由于60%變形量軋制態(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15在室溫時綜合性能最優，所以對其進行了600～700 ℃高溫拉伸測試，拉伸曲線如圖5所示，觀察可以發現，隨著測試溫度的升高，其高溫拉伸強度逐漸降低，這是溫度升高使原子結合變弱帶來的必然結果。同一溫度下，軋制態復合材料的高溫抗拉強度及伸長率較燒結態均有明顯提高，其中在600 ℃下達到796.1 MPa的高溫抗拉強度，較燒結態（662.9 MPa）提高了大約20.1%，在700 ℃下，抗拉強度與伸長率（508.4 MPa，28.6%）較燒結態（449.2 MPa，19.5%）各自提高了13.1%和46.7%。這主要是因為熱軋制后片層狀相與相尺寸變小，這種細化的網籃組織具有良好的高溫力學性能。另一方面，高溫軋制中，硅化物產生了重新溶解并再次析出的過程，分布在細條狀相周圍且呈細小的顆粒狀，數量增多且分布更加彌散，它可以阻止晶界或者相界面的滑動，也使其高溫性能進一步提高。

接下來對不同軋制變形量的(TiBw+(TiZr)5Si3)/ TA15進行600～700 ℃高溫下的拉伸性能測試，研究不同變形量對復合材料高溫性能的影響，如圖6所示，觀察可知，隨著變形量的增加，復合材料在600和650 ℃下，其抗拉強度也呈現先升高后下降的趨勢，與室溫拉伸性能類似。這種性能變化規律的原因也與室溫時類似，變形量在不大于60%時，組織仍保持層片狀，而當變形量增加到80%時，組織出現大量的等軸晶粒，相對于片層狀晶粒，等軸晶在高溫時更容易發生晶界滑動，所以造成高溫強度降低。不同的是，當試驗溫度升高到700 ℃時，不同軋制變形量的(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的強度極限區別很小，主要是由拉伸溫度升高到了一定范圍內后基體的流變軟化作用所導致。

圖5 60%變形量軋制態(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的高溫拉伸應力-應變曲線

圖6 不同變形量軋制態(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的高溫拉伸應力-應變曲線

2.3 軋制對復合材料高溫蠕變性能的影響

對不同變形量軋制后的(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15試樣實施蠕變性能評價試驗，圖7所示為(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15在200 MPa，650 ℃條件下的蠕變位移-時間曲線，蠕變持久斷裂時間和穩態蠕變速率見表3。分析可知，經過熱軋制之后，(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的抗蠕變性能有了顯著增高，如在軋制變形量為40%及60%的情況下，對應的持久斷裂時間為39.8 h及37.3 h，相當于在燒結態的基礎上增長了26.3%和18.4%，當軋制量提高到80%時，(TiBw+(TiZr)5Si3)/ TA15的蠕變性能較軋制處理前略有降低，但是大體的趨勢是伴隨著軋制變形量的增長，(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的蠕變持久斷裂時間漸漸減小，穩態蠕變速率逐漸增長，也就是說隨著軋制變形量的增長，(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的蠕變抗性變弱。

圖7 不同變形量軋制后(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料在650 ℃，200 MPa下的蠕變曲線

表3 不同狀態(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15在650 ℃，200 MPa下的穩態蠕變速率及蠕變斷裂時間

Tab.3 Steady-state creep rate and rupture time of the (TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15 composite with different rolling reduction at 650 ℃/200 MPa

對這種變化規律進行分析，第一，應力傳遞效應對金屬基復合材料來講是一個非常重要的提高蠕變抗性的方法，特別是靠短纖維增強的金屬基復合材料，所以也是文中(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的重要蠕變強化手段。有很多金屬基復合材料的應力傳遞方面的研究，如肖旅[15]探究了TMCs中短纖維對應力的傳遞效果，結論顯示短纖維增強體可以有效起到傳遞載荷的作用，為了定量描述這種作用，總結出載荷轉移因數。之后郭相龍[16]將的表達式做出如下總結：

式中：f為短纖維的彈性模量；為短纖維的長徑比；f為體積分數；0為短纖維的取向因子；E為基體材料的彈性模量；為在復合材料短纖維長度方向，界面產生屈服的占比。

通過式（1）可以看出，在蠕變溫度和蠕變應力相同的條件下，TiB晶須的分布方式和取向可以影響(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的應力傳遞因數，從圖8可以看出，在對材料進行軋制處理時，(TiBw+(TiZr)5Si3)/ TA15中的TiB晶須會進行一定程度的旋轉，而轉動的方向為平行于軋制方向，同樣也為蠕變應力所在的方向，這種轉動增加了短纖維取向因數0值的大小，從而有效促進了短纖維的應力傳遞效應，最終增強了(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的抗蠕變性能。另一方面當軋制變形量逐漸增加時，TiB晶須的折斷現象越發嚴重，這會使晶須長徑比逐漸減小，相應的應力傳遞因數逐漸減小，最終降低復合材料的抗蠕變性能。綜上，隨軋制變形量的增加，(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的抗蠕變性能表現出如下變化趨勢：隨著變形量的加大，(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的抗蠕變性能逐漸降低。當變形量為40%和60%時抗蠕變性能強于燒結態，變形量達到80%時，抗蠕變性能相對燒結態有略微的降低。

圖8 軋制后(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料側面(Ⅱ)組織SEM照片

第二，經過觀察軋制態(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的TEM組織可知，高溫軋制帶來的大程度變形使基體中產生大量位錯，同時硅化物發生固溶與重新析出的過程，在細條狀相周圍呈現為細小的顆粒狀并且彌散分布，在蠕變過程中，細小的硅化物更容易在位錯附近偏聚，如圖9所示，所以使(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的蠕變抗力大大提高。

圖9 軋制態(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15蠕變橫向斷口附近TEM微觀組織照片

第三，隨著軋制變形量逐漸增大，(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的顯微組織由細小的片層組織向雙態組織演變，而片層狀組織的抗蠕變性能相對于雙態組織來說要更加優良，因為在向等軸組織演變時，相互靠近的晶粒在晶界產生相對滑動更加容易，從而使晶界周圍變為高畸變區，而高溫下的原子擴散、位錯滑移和攀移可以有效協調晶界周圍的畸變，進一步促進了晶界滑移，最終使(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的抗蠕變性能降低。此外，一方面隨著變形量的提高，(TiBw+ (TiZr)5Si3)/TA15基體組織發生細化，而組織細化必將帶來晶界數量的提高，晶界又起到阻礙位錯在晶粒內部運動、抑制晶界發射位錯到晶粒中等作用，最終使材料的抗蠕變性能提高。另一方面，相晶界數量的大幅度提高，會增進位錯在晶界上的滑移及攀移的進行，使(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的蠕變速率增加，最終導致其抗蠕變性能弱化，所以晶粒細化在一定程度上有利于提高材料的抗蠕變性能，但晶粒過度細化會通過提高材料的蠕變速率進而降低材料的抗蠕變性能。

3 結論

1）(3.5%TiB+2%(TiZr)5Si3)/TA15燒結態復合材料在經過熱軋制后，組織發生明顯變化，隨著變形量從40%到80%，基體組織從燒結態的魏氏組織變為網籃組織再過渡到雙態組織。增強相TiBw發生折斷與定向排列，硅化物溶解并再次析出，數量增長的同時分布更加彌散。

2）(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料因高溫軋制帶來的變形強化與熱處理強化使其在室溫拉伸時，伸長率及抗拉強度均較燒結態有明顯增加，當變形量增大到60%時，抗拉強度為1238 MPa，較燒結態提高了11.8%，伸長率為10.1%，較燒結態提高了75%。隨著變形量的增加，由于組織從片層組織向雙態組織演化和基體連通度的變化，抗拉強度先增加后降低，伸長率相應先降低后升高。

3）不同變形量的(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15復合材料的高溫抗拉強度的變化也表現出了與室溫拉伸時同樣的規律，即隨著軋制變形量的增加呈現出先升高后下降的趨勢，60%變形量的復合材料在600～700 ℃時的拉伸性能較燒結態均明顯提高，其中600 ℃下的高溫抗拉強度達到796 MPa，較燒結態（662.9 MPa）提高了20.1%，700 ℃下的抗拉強度和伸長率（508.4 MPa，28.6%）較燒結態（449.2 MPa，19.5%）分別提高了13.1%和46.7%。

4）隨著軋制變形量從40%提高到80%，(TiBw+ (TiZr)5Si3)/TA15的穩態蠕變速率逐漸增長，蠕變持久斷裂時間漸漸減少，可知隨著軋制變形量的增長，(TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15的抗蠕變性能逐漸降低。當變形量為40%和60%時，復合材料在650 ℃/200 MPa條件下的持久斷裂時間分別為39.8 h和37.3 h，較燒結態分別提高了26.3%和18.4%。軋制量為80%時，(TiBw+ (TiZr)5Si3)/TA15的蠕變性能略微降低，這是由于增強相的斷裂與定向分布、組織向雙態組織演變、硅化物在位錯附近的偏聚等因素綜合影響產生的結果。

[1] JIAO Yang, HUANG Lu-jun, WEI Shao-lou, et al. Constructing Two-scale Network Microstructure with Nano- Ti5Si3for Superhigh Creep Resistance[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2019, 35: 1532—1542.

[2] JIAO Yang, HUANG Lu-jun, GENG Lin, et al. Strengthening and Plasticity Improvement Mechanisms of Titanium Matrix Composites with Two-Scale Network Microstructure[J]. Powder Technology, 2019, 356: 980—989.

[3] TJONG S, MAI Y. Processing-Structure-Property Aspects of Particulateand Whisker-Reinforced Titanium Matrix Composites[J]. Composites Science and Technology, 2008, 68(3/4): 583—601.

[4] SHANG Cai-yun, LIU Teng-fei, ZHANG Fa-ming, et al. Effect of Network Size on Mechanical Properties and Wear Resistance of Titanium/Nanodiamonds Nanocomposites with Network Architecture[J]. Composites Communications, 2020, 19: 74—81.

[5] 黃陸軍. 增強體準連續網狀分布鈦基復合材料研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2010: 38—48.HUANG Lu-jun. Research on the Titanium Matrix Composites with a Quasi-Continuous Network Reinforcement Distribution[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2010: 38—48.

[6] 黃陸軍, 耿林. 網狀結構鈦基復合材料研究進展[J]. 中國材料進展, 2016, 35(9): 674—685. HUANG Lu-jun, GENG Lin. Progress on Titanium Matrix Composites with Network Microstructure[J]. Materials China, 2016, 35(9): 674—685.

[7] WEI Shao-lou, HUANG Lu-jun, LI Xin-ting, et al. Network-Strengthened Ti-6Al-4V/(TiC+TiB) Composites: Powder Metallurgy Processing and Enhanced Tensile Properties at Elevated Temperatures[J]. Metall Mater Trans A-Phys Metall Mater Sci, 2020, 51(3): 1437—1437.

[8] 黃陸軍, 孫楓泊, 安琦, 等. (TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15鈦基復合材料粉末冶金制備與熱處理改性[J]. 中國科學: 技術科學, 2020, 50(7): 935—946. HUANG Lu-jun, SUN Feng-bo, AN Qi, et al. Powder Metallurgy Fabrication and Heat Treatment Modification of (TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15 Composites[J]. Scientia Sinica Technologica, 2020, 50(7): 935—946.

[9] WANG Bo, ZHANG Hao-biao, HUANG Lu-jun, et al. Evolution of Microstructure and High Temperature Tensile Properties of As-Extruded TiBwReinforced Near- Titanium Matrix Composite Subjected to Heat Treatments [J]. Sci China-Technol Sci, 2018, 61(9): 1340—1345.

[10] 黃陸軍, 唐驁, 戎旭東, 等. 熱軋制變形對網狀結構TiBw/Ti6Al4V復合材料組織與性能的影響[J]. 航空材料學報, 2013, 33(2): 8—12. HUANG Lu-jun, TANG Ao, RONG Xu-dong, et al. Effects of Hot Rolling Deformation on Microstructure and Mechanical Properties of TiBw/Ti6Al4V Composites with Network Microstructure[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2013, 33(2): 8—12.

[11] HUANG Lu-jun, YANG Fu-yao, HU Hai-ting, et al. TiB Whiskers Reinforced High Temperature Titanium Ti60 Alloy Composites with Novel Network Microstructure[J]. Mater Des, 2013, 51: 421—426.

[12] ALLEN S, THOMAS E. The Structure of Materials[M]. New York: John Wiley and Sons, 1999: 359—363.

[13] WU Cheng-bao, YANG He, FAN Xiao-guang, et al. Dynamic Globularization Kinetics during Hot Working of TA15 Titanium Alloy with Colony Microstructure[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2011, 21(9): 1963—1969.

[14] 王蕊寧, 張嫦娟, 羅偉, 等. 熱變形參數對TA15合金片層組織球化過程的影響[J]. 熱加工工藝, 2017, 46 (13): 180—182. WANG Rui-ning, ZHANG Chang-juan, LUO Wei, et al. Influence of Hot Deformation Parameters on Spheroidization Process of Lamellar Microstructure of TA15 Alloy[J]. Hot Working Technology, 2017, 46(13): 180—182.

[15] XIAO Lu, LU Wei-jie, QIN Ji-ning, et al. Creep Behaviors and Stress Regions of Hybrid Reinforced High Temperature Titanium Matrix Composite[J]. Composites Science and Technology, 2009, 69: 1925—1931.

[16] 郭相龍. 變形量對(TiB+La2O3)/Ti復合材料組織結構及力學性能影響的研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2013: 82—88. GUO Xiang-long. Effects of Deformation Degree on Microstructure and Mechanical Properties of (TiB+La2O3)/ Ti Composites[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2013: 82—88.

Effects of Hot Rolling on the Microstructure and Mechanical Properties of Network Structured (TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15 Composites

CHEN Run, AN Qi, ZHANG Rui, LIU Yue, WANG Shuai, HUANG Lu-jun, GENG Lin

(School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

In order to modify the high temperature durability and toughness of the structural materials in aerospace and defense fields, the hot rolling process is carried out on the assintered (TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15 composites by powder metallurgy. After hot rolling, the microstructure of the composites is remarkably refined, and a large number of dislocations are generated in the composites. The silicides of (TiZr)5Si3are solid soluted and reprecipitated, and become fine particles distributed around the thin stripphase. The number of silicides is increased and the distribution was more uniform. The tensile properties of the as-rolled (TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15 composites at room temperature and high temperatures are significantly improved due to the deformation and heat treatment strengthening effects after hot rolling process. For example, when the rolling reduction is 60%, the ultimate tensile strength at room temperature is increased by 11.8%, while the fracture strain by 50%, compared with those of the assintered (TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15 composites. Moreover, the strength at 700 ℃ is increased from 449 MPa to 508 MPa, which is increased by 13% and the elongation is increased by 47%. Compared with the assintered (TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15 composites, the creep resistance of the as-rolled (TiBw+(TiZr)5Si3)/TA15 composites is significantly improved. When the rolling reduction is 40% and 60%, the rupture time of the composites is 39.8 h and 37.3 h respectively, which are increased by 26.3% and 18.4% compared with the assintered composites. However, the creep resistance of the composite is decreased with higher rolling reduction of 80%. The variation of the creep resistance can be attributed to microstructure globularization, reinforcement fracture and directional distribution.

titanium matrix composites; net structure; powder metallurgy; mechanical property

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.001

TB33

A

1674-6457(2021)03-0001-08

2021-02-15

國家自然科學基金（51822103，51731009）；國家重點研發計劃（2017YFB0703100）；廣東省重點領域研發計劃（2019B010942001）

陳潤（1990—），男，碩士生，主要研究方向為鈦基復合材料。

安琦（1993—），男，博士，講師，主要研究方向為鈦基復合材料。