碳化硅納米線增強Ti60復合材料高溫性能及顯微組織研究

張瑞剛，楊慶浩，劉 躍，王玉鵬，趙鵬飛，張于勝

(1.西安科技大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710054)(2.西安稀有金屬材料研究院有限公司，陜西 西安 710016)(3.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

航空發動機作為航空飛機最重要的部件之一，其葉片和高壓壓氣機盤件不僅需要在高溫下使用，而且在工作時要承受極大的應力。在如此苛刻的服役條件下，鋁合金不能耐受很高的溫度，鋼的密度較大，不能提供很高的推重比。鈦合金高溫強度高、抗蠕變、抗氧化，非常適合應用于航空發動機[1]。鈦合金材料在航空飛機發動機中的用量越來越多，第三代航空飛機發動機的鈦合金材料用量為25%，第四代航空飛機發動機的鈦合金材料用量達到40%[2-4]。隨著航空工業的發展，飛機某些關鍵部位的構件使用溫度越來越高，所以對其構成材料的高溫性能要求也越來越高，傳統鈦合金已無法滿足使用要求，高溫性能更加優異的鈦基復合材料成為研究熱點[5-8]。

近年來，研究人員對鈦基復合材料的制備工藝以及增強體的選材和含量進行了大量研究。為了充分發揮鈦基復合材料的高溫性能優勢，通常選取高溫近α型鈦合金作為基體合金。常見的鈦基復合材料增強體有TiC[9，10]、TiB[11，12]、碳納米管[13]等。Ya等[9]通過原位生成TiC制備出TiC/Ti6Al4V復合材料，其抗拉強度能夠達到1110 MPa，遠高于添加石墨烯制備的復合材料。黃錦棟[13]通過離子活化燒結制備了碳納米管(CNTs)增強鈦合金，當CNTs質量分數為1.0%時，復合材料抗壓強度提高到1725 MPa；抗氧化性能提升約27.78%；材料的抗熱腐蝕性能比基體合金提升33.3%。Liu等[14]以碳化硅納米線(SiCnw)為增強體，制備了SiCnw/Ti復合材料，當添加的SiCnw質量分數為0.5%時，復合材料抗拉強度相較于純鈦提升了52%。碳化硅納米線(SiCnw)作為一維納米材料，具有高強度、高硬度、耐磨損、低熱膨脹系數等特點，是一種理想的復合材料增強相。SiCnw作為增強體的相關研究主要在提高材料強度等方面，關于SiCnw增強鈦基復合材料高溫性能的研究較少。

Ti60是一種近α型高溫鈦合金，使用溫度高、密度低、強度高、熱強性和熱穩定性良好，是航空發動機部件的重要候選材料之一[15]。Ti60合金性能優越，與同類型的Ti1100、IMI834等鈦合金相比，在室溫及600 ℃高溫下的綜合性能更好[16]。為了進一步提高Ti60合金的高溫性能，本研究以SiCnw作為增強體材料，將其與Ti60合金粉末球磨混合后，采用放電等離子活化燒結，然后進行熱軋加工，研究SiCnw對復合材料高溫力學性能及顯微組織的影響，以期獲得高溫性能更加優異的鈦基復合材料。

1 實 驗

實驗材料為Ti60合金粉末和碳化硅納米線。Ti60合金粉末名義成分為Ti-5.8Al-4.8Sn-2Zr-1Mo-0.35Si-0.85Nd(at%)，呈規則的球形，表面光滑，粒徑為50～100 μm，如圖1所示。增強體碳化硅納米線密度為3.21 g/cm3，直徑為100～300 nm，長徑比為(100～200)∶1。

圖1 Ti60合金粉末形貌Fig.1 Morphology of Ti60 alloy powder

SiCnw/Ti60復合材料制備工藝流程如圖2所示。稱取Ti60粉末和質量分數為0.3%的SiCnw,混合后倒入球磨罐。將球磨罐置于QM-3SP4型行星球磨機中進行球磨，球磨機轉速為300 r/min，球磨時間為4～6 h。球磨罐和磨球材質均為不銹鋼，球料比為3∶1。球磨后的SiCnw/Ti60混合粉末放入直徑為60 mm的石墨模具中，采用放電等離子燒結(SPS)爐進行燒結，燒結溫度為1000 ℃，壓力為45 MPa，保溫時間為5 min。燒結后得到φ60 mm×16 mm的圓餅狀SiCnw/Ti60復合材料。為了對比，采用相同工藝制備Ti60合金。利用線切割從燒結后的Ti60合金和SiCnw/Ti60復合材料上切取φ60 mm×8 mm的樣品，在900 ℃下進行高溫軋制。軋制分為多道次進行，每道次厚度減薄1 mm，總變形量為75%。最終得到厚度為2 mm的熱軋態Ti60合金和SiCnw/Ti60復合材料。

圖2 SiCnw/Ti60復合材料制備工藝流程圖Fig.2 Flow chart of SiCnw/Ti60 composite preparation process

采用UTM5105X型電子萬能試驗機測量Ti60合金和SiCnw/Ti60復合材料的室溫(25 ℃)及500、600、700 ℃高溫拉伸性能，拉伸速率為0.5 mm/min，每個樣品至少測試3個試樣，取平均值作為試驗結果。采用AxioVert A1型金相顯微鏡觀察燒結態及熱軋態Ti60合金和SiCnw/Ti60復合材料的微觀組織。采用JSF-7500F場發射掃描電鏡觀察球磨后SiCnw/Ti60粉末的形貌及Ti60合金和SiCnw/Ti60復合材料的拉伸斷口形貌。

2 結果與討論

2.1 混合粉末的形貌及微觀結構

圖3為球磨后SiCnw/Ti60混合粉末的SEM照片。從圖3a可以看出，SiCnw/Ti60混合粉末經球磨后產生變形，球形粉末的表面凹凸不平。SiCnw和Ti60合金混合粉末球磨時，Ti60粉末表面被破壞，SiCnw斷裂為不同尺寸的小段，并嵌入到Ti60合金粉末表面，如圖3b所示。

圖3 球磨后SiCnw/Ti60粉末的SEM照片Fig.3 SEM morphologies of ball-milled SiCnw/Ti60 powder:(a) mixed powder; (b) local enlarged image

2.2 微觀組織

圖4為燒結態及熱軋態Ti60合金和SiCnw/Ti60復合材料的金相組織。Ti60合金和SiCnw/Ti60復合材料燒結態組織都主要由魏氏組織和網籃組織構成，Ti60合金中存在大量原始大尺寸β晶粒，在晶界處存在少量等軸α相(圖4a)，而SiCnw/Ti60復合材料燒結態組織中β相的尺寸小，晶界處等軸α相的數量較多(圖4b)，說明晶界處均勻分布的SiCnw在燒結過程中對晶粒長大有明顯的抑制效果。經過熱軋后，可以觀察到Ti60合金和SiCnw/Ti60復合材料的晶粒沿軋制方向被拉長，如圖4c、4d所示，并且SiCnw/Ti60復合材料中的等軸α相增加(圖4d)。SiCnw/Ti60復合材料在熱軋過程中發生動態再結晶，SiCnw沿著軋制方向穿插在燒結過程中產生的微孔中，與鈦基體結合更加緊密，達到了更好的增強效果。

圖4 燒結態及熱軋態Ti60合金及SiCnw/Ti60復合材料金相組織Fig.4 Metallographic structures of sintered and hot-rolled Ti60 alloy and SiCnw/Ti60 composite：(a) Ti60 alloy，as-sintered; (b) SiCnw/Ti60 composite，as-sintered; (c) Ti60 alloy，as-hot-rolled; (d) SiCnw/Ti60 composite，as-hot-rolled

2.3 高溫力學性能

圖5為熱軋態Ti60合金以及SiCnw/Ti60復合材料在不同溫度下的拉伸性能曲線。SiCnw/Ti60復合材料在室溫下的抗拉強度為1367 MPa，延伸率為2.2%。相比Ti60合金，抗拉強度上升了12.9%，延伸率下降了72%。SiCnw/Ti60復合材料在500、600、700 ℃時的抗拉強度分別為874、725、407 MPa，延伸率分別為12%、26%、59%。相比熱軋態Ti60合金，抗拉強度分別上升了9.2%、6.7%、2.2%。在拉伸過程中，SiCnw能夠有效起到承擔載荷的作用，同時阻礙位錯運動和晶界的滑動。從圖5還可以看出，SiCnw/Ti60復合材料抗拉強度的增幅隨著溫度的升高而減小。這說明溫度對熱軋態復合材料的強化效果有較大的影響。隨溫度升高，復合材料抗拉強度逐漸降低，而延伸率卻逐漸提高。一方面是由于溫度上升，基體發生多邊形化和動態再結晶等過程，從而導致基體合金軟化；另一方面，溫度升高后，基體與增強體界面的結合強度降低，導致SiCnw強化效果減弱。

圖5 Ti60合金和SiCnw/Ti60復合材料的拉伸性能 隨溫度變化曲線Fig.5 Curves of tensile properties vs.temperature of Ti60 alloy and SiCnw/Ti60 composite

2.4 斷口形貌

圖6為熱軋態Ti60合金和SiCnw/Ti60復合材料的室溫及600 ℃拉伸斷口形貌。Ti60合金室溫拉伸斷口由部分撕裂棱及一定數量的韌窩構成，斷裂方式為韌脆混合斷裂(圖6a)。SiCnw/Ti60復合材料的室溫拉伸斷口形貌中存在許多粗大的撕裂棱而韌窩數量稀少(圖6b)，斷裂方式以脆性斷裂為主。這是由于SiCnw近乎均勻分散在晶界處，雖在一定程度上強化了晶界，但會降低基體間的連通度，從而導致拉伸過程中復合材料的延伸率大幅下降，因而材料發生脆性斷裂。從Ti60合金的600 ℃拉伸斷口中可以觀察到大量的韌窩(圖6c)，相較室溫拉伸，韌窩尺寸更大，為典型的韌性斷裂，說明合金具有較好的塑性。SiCnw/Ti60復合材料的600 ℃拉伸斷口形貌與Ti60合金的相似，同樣存在大量的大尺寸韌窩(圖6d)，這是由于高溫下基體發生軟化，降低了SiCnw對復合材料延伸率的影響。SiCnw作為增強體，均勻分布在基體中，對材料的拉伸性能有著顯著影響。

圖6 Ti60合金及SiCnw/Ti60復合材料的室溫及600 ℃拉伸斷口形貌Fig.6 Tensile fracture morphologies of Ti60 alloy and SiCnw/Ti60 composite at different temperatures：(a) Ti60 alloy，25 ℃; (b) SiCnw/Ti60 composite，25 ℃; (c) Ti60 alloy， 600 ℃; (d) SiCnw/Ti60 composite， 600 ℃

3 結 論

(1) SiCnw與Ti60粉末混合后，球磨磨碎的SiCnw嵌入到Ti60粉末表面。在燒結過程中，分布在晶界處的SiCnw阻礙了晶粒長大，有效地細化了晶粒。與此同時，晶間β相也得到細化，晶界α相的數量增加。

(2) SiCnw/Ti60復合材料熱軋后，晶粒沿軋制方向被拉長，且顯著得到細化。添加的SiCnw在軋制過程中逐漸穿插在Ti60粉末表面因燒結而產生的微孔中，使得增強體與基體間的結合更加緊密。

(3) SiCnw/Ti60復合材料在500 ℃高溫下的抗拉強度相比Ti60合金顯著提升，且隨著溫度升高，抗拉強度的提升幅度下降。