Vol.25No.4杨滨等：熔铸-原位反应喷射沉积成形TiC/Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al复合材料微观组织和力学性能·335· 荷通过复合材料界面传递至颗粒上，易使残余应 7小aMc=7m(1+2.5V,+10.253） (5) 力集中的颗粒尖角处断裂形成空洞而显著降低 式中，oe为复合材料的动力粘度，nm为基体的动 复合材料的塑性， 力粘度，，为颗粒的体积分数，%. 从颗粒增强金属基复合材料的强化模型中 由式(5)可知，在熔体中加入10%的颗粒会使 可知，TC颗粒增强钛基复合材料因基体显微 复合材料熔体的粘度增加约35%.而粘度增加势 结构的改变产生的强度增加项包括：晶粒细化产 必会造成熔体流动速度V下降，即： 生的强度增加项△σ：因增强颗粒与基体热膨胀 v=-vYV(Ptpg) (6) 系数不同导致位错密度增大，从而提高位错运动 式中，V为熔体的流动速度，V为与枝晶结构和枝 的摩擦阻力△σ；位错胞结构产生的亚晶（由于复 晶间距有关的常数，为熔体的体积分数，P为压 合材料的变形属于两相不均匀变形，变形时首先 力，P为熔体密度，g为重力常数 在较软的基体上进行，较硬的颗粒不变形或变形 显然，熔体流动速度的下降不利于喷射沉积 很少，致使在界面上形成较高的形变不匹配，产 成形金属基复合材料制备过程的进行，严重时甚 生较高的形变应力，当该应力集中在TC颗粒的 至会导致导液管的堵塞.为解决提高复合材料的 某个部位时，在晶体某个柱面的分切应力作用 强度需增加颗粒的体积分数和在熔体中内生大 下，在交界的柱面上萌生位错环并沿柱面移动. 量颗粒后又会使复合材料熔体粘度增加，从而影 该应力的释放靠放出位错环来实现，从而增加了 响喷射沉积成形金属基复合材料制备过程的进 基体位错的密度，大量的位错之间产生摩擦、缠 行一对矛盾问题，只有改变喷射成形工艺参数， 绕，在应力作用下会形成细小的胞状组织，即亚 如同时采取扩大导液管的直径和采用更大的气 晶)对屈服应力的贡献△σ.根据各显微组织所占 液比措施，提高熔体的过热度等， 体积分数，运用Miese屈服准则，可推导出复合材 另外，从式(4)中可以看出，减小增强颗粒的 料的总屈服强度（对等轴状粒子）： 尺寸有利于提高复合材料的强度.图2所示为自 w=(1+Z)(@+Ao.+Ao) (3) 动图像分析仪对钛合金熔体中内生650个TiC粒 式中，∫为增强颗粒的体积分数：σ为复合前基体 子进行统计分析后得出的颗粒尺寸分布图.从图 的屈服强度，强度增量均包含了体积分数因子. 中可见，在钛合金熔体中内生的TC颗粒尺寸分 由式(3)结合表1，可以看出复合材料拉伸强 布较散，只有一部分尺寸小于1m的TiC颗粒， 度提高幅度不大的原因与内生颗粒量较少和细 会产生Orowan强化，进一步提高合金的强度.因 小颗粒(<1m)数量不足有关. 此，有必要对原位反应工艺过程进行更深入的研 内生TC颗粒增强复合材料的屈服强度增量 究，探索出元素粉末颗粒直径、预制块密实度、熔 和晶粒尺寸之间的关系可用Holl-Pecth关系加以 体反应温度等各工艺参数对原位反应颗粒大小 说明.Hol-Pecth关系描述合金屈服强度增量和 的影响规律，最终达到细化内生TiC颗粒尺寸， 晶粒尺寸之间的关系式为： 提高复合材料强度的目的 Aow (4) 式中，△为合金屈服强度增量，k是和一系列因 15h ● 素有关的因子，其典型值约为0.1MPam,D是晶 粒尺寸，d是增强颗粒尺寸，”，为增强颗粒的体积 10 分数，%. 5 由于在钛合金熔体中内生一定量的TC颗粒 可明显细化基体晶粒（即减小D值），因而合金强 度得以提高，从式(4)可知，提高增强颗粒的体积 0.51.01.52.02.53.03.5 分数，可提高合金的强度，但试验中发现，当内生 Didum TC颗粒量质量分数大于5%后，合金熔体粘度增 图2钛合金熔体中内生TC颗粒的尺寸分布 加幅度较大，Lloyd推出了复合材料粘度与基体 Fig.2 Distribution of TiC partical diameter in melting tit- 粘度和颗粒体积分数之间的关系式： anium composites杨 滨等 熔铸 一 原位 反应 喷射 沉积 成 形 一 一 卜 复合材料微观 组 织 和 力学性 能 ， ， 荷通 过复合 材料 界 面传 递 至 颗 粒 上 ， 易使残 余 应 力集 中的颗 粒尖 角 处 断裂 形 成 空 洞 而 显 著 降低 复合材料 的塑性 从 颗粒 增 强 金 属 基 复 合 材 料 的 强 化 模 型 中 可 知 〔 ， 颗 粒增 强 钦基 复合 材料 因基 体 显 微 结构 的改变产 生 的强度 增加 项包 括 晶粒 细 化产 生 的强度 增 加项 △。 ， 因增 强 颗粒 与基 体 热 膨 胀 系数不 同导致位错 密 度增 大 ， 从 而提 高位 错 运 动 的摩擦 阻力△氏 位错 胞 结构产 生 的亚 晶 由于 复 合材料 的变形 属 于两 相 不均 匀变形 ， 变形 时首 先 在较 软 的基 体上进 行 ， 较硬 的颗 粒 不 变 形 或变 形 很 少 ， 致 使 在 界 面 上 形 成 较高 的形 变 不 匹配 ， 产 生 较 高的形 变 应 力 当该 应 力集 中在 颗 粒 的 某 个 部位 时 ， 在 晶体 某 个 柱 面 的分 切 应 力 作 用 下 ， 在交 界 的柱 面 上 萌生 位 错 环 并沿 柱 面 移动 该应 力 的释 放靠放 出位错 环 来 实现 ， 从 而 增 加 了 基 体位 错 的密度 ， 大 量 的位 错之 间产 生摩 擦 、 缠 绕 ， 在应 力 作用 下 会 形 成 细 小 的胞 状 组 织 ， 即亚 晶 对 屈 服 应 力 的贡 献△伪 根 据 各显 微 组 织 所 占 体积 分数 ， 运用 屈 服准 则 ， 可 推 导 出复合材 料 的总 屈 服 强度 对 等轴状 粒 子 、 一 李 ，△ 。 、 御 式 中 为 增 强 颗 粒 的体 积 分 数 。 为 复 合 前基 体 的屈服 强度 ， 强度 增 量 均包 含 了体积 分 数 因子 由式 结合 表 ， 可 以看 出复 合 材料 拉伸 强 度提 高幅度 不 大 的 原 因 与 内生 颗 粒 量 较 少 和 细 小颗 粒 卜 数 量 不 足 有 关 内生 颗粒 增 强复合材料 的屈 服 强度增 量 和 晶粒 尺 寸 之 间 的关 系可 用 平 关 系加 以 说 明 坪 关 系描述合 金 屈 服 强 度 增 量 和 晶粒 尺 寸之 间 的关 系 式 为 〔 叮 叮。 凡 岭 式 中 ， 粉翩 。 为复合 材料 的动 力粘度 ， 叮。 为基 体 的动 力粘度 ， 凡为颗 粒 的体 积 分 数 ， 由式 可 知 ， 在熔体 中加入 的颗 粒会使 复 合 材料熔 体 的粘 度 增 加 约 而 粘 度 增加 势 必 会造 成 熔 体流 动 速度 犷下 降 ， 即‘ 一粤 沪切动 ， 式 中 ， 为熔 体 的流 动 速 度 ， 为 与 枝 晶 结构 和 枝 晶 间距 有 关 的常数 ， 为熔 体 的体积 分 数 ， 为压 力 ， 为熔 体密 度 ， 为 重 力 常数 显 然 ， 熔体流 动速度 的下 降不 利 于 喷射沉 积 成 形金 属基 复合 材料制 备 过程 的进 行 ， 严 重 时甚 至 会 导致 导液管 的堵塞 为解 决提 高复合 材料 的 强 度 需增 加 颗 粒 的体 积 分 数和 在 熔 体 中 内生 大 量颗粒后 又 会 使复合材料熔体粘度 增 加 ， 从而 影 响 喷 射 沉 积 成 形 金 属 基 复 合 材 料 制 备 过 程 的进 行 一 对 矛 盾 问题 ， 只 有 改变 喷射成 形 工 艺参 数 ， 如 同 时采 取 扩 大 导 液 管 的直 径 和 采 用 更 大 的气 液 比措 施 ， 提 高熔 体 的过 热 度等 另外 ， 从 式 中可 以看 出 ， 减 小增 强颗 粒 的 尺 寸有 利 于提高 复合 材料 的强度 图 所 示 为 自 动 图像分析 仪对 钦 合 金熔 体 中内生 个 粒 子 进行统计 分析 后得 出 的颗粒尺 寸分 布 图 从 图 中可 见 ， 在钦 合 金 熔 体 中 内生 的 颗 粒 尺 寸分 布 较 散 ， 只 有 一 部 分 尺 寸 小 于 脚 的 颗 粒 ， 会 产 生 强 化 ， 进 一 步 提 高合 金 的强度 因 此 ， 有 必 要对 原位 反应 工 艺过程进 行 更 深 入 的研 究 ， 探索 出元 素粉末颗粒直 径 、 预制块 密 实度 、 熔 体 反 应 温 度 等 各 工 艺 参 数对 原位 反 应 颗 粒 大 小 的影 响规 律 ， 最 终达 到细 化 内生 颗粒 尺 寸 ， 提 高复 合 材料 强度 的 目的 △肠田 侧 概 一 ‘降犷 式 中 ， △挤用 为合 金 屈 服 强度 增 量 ， 是 和 一 系 列 因 素有关 的 因子 ， 其 典 型值 约 为 · 耐 ， 是 晶 粒尺 寸 ， 是增 强颗粒 尺 寸 ， 称为增 强颗粒 的体 积 分 数 ， 由于在钦合金熔 体 中 内生一 定量 的 颗粒 可 明显 细化基 体 晶粒 即减 小 值 ， 因而 合 金 强 度得 以提 高 从式 可 知 ， 提 高增 强颗 粒 的体积 分 数 ， 可 提 高合 金 的强度 但试 验 中发现 ， 当 内生 颗 粒量质 量 分数 大于 后 ， 合 金熔 体粘度增 加幅度较 大 推 出 了复合 材料粘度 与基 体 粘 度和 颗 粒 体积 分 数 之 间 的关 系式‘ 二 。 … … … … ‘︸ 象翼曝芝 刀 脚 图 钦合金 熔体 中内生 颗粒 的 尺 寸 分 布 汕 认 恤