Vol.25No.4杨滨等：熔铸-原位反应喷射沉积成形TiC/Ti-5Mo-5V-2Cr-3A1复合材料微观组织和力学性能·333· 体、增强体的性能以及增强体与基体界面的特 比强度和比刚度高以及化学稳定性好， 性.通常，颗粒在钛基复合材料中的体积分数小 早期颗粒增强钛基复合材料的发展多以高 于15%.因此按混合定律计算基材对钛基复合材 温应用为主要目标，为此集中发展了TA(y)基、 料力学性能的贡献仍然应占主导地位， TiA1()基、Ti6A14V基等一系列用TB2或TB颗 Ti-5Mo-5V-8Cr-3A1合金(TB2)是我国自行 粒增强的钛基复合材料.这些颗粒增强钛基复合 研制成功的一种亚稳定型阝合金.研究和实际应 材料大多采用粉末怡金工艺.用粉末冶金工艺制 用表明，该合金具有高的强度、深的淬硬性和良 备颗粒增强钛基复合材料时，必须经过真空高温 好的断裂韧性.然而，TB2合金作为锻件使用时， 活化烧结、真空热压或热等静压等工艺过程，致 其可锻性、高强状态下的拉伸延性都不如高强· 使材料成本较高， +B合金，因此，目前高强、高韧性钛合金的发展 近年来，TC颗粒增强钛基复合材料受到材 趋势是减少B稳定元素的含量，研制近β型合金. 料工作者普遍关注.这是由于TC在过渡金属碳 元素Mo,V在周期表上的位置靠近Ti,具有 化物中具有较高的比强度和比模量，TC在钛和 与钛相同的晶格类型，能与B钛无限互溶，以置 钛合金中热力学稳定，作为增强相具有良好的相 换方式大量溶入B钛中，产生较小的晶格畸变，因 容性.从已有的溶铸一喷射沉积成形自生TC颗 此元素Mo,V在强化钛合金的同时，可保持其较 粒增强铝基复合材料研究中获知，原位反应、细 高的塑性. 小的TC颗粒能够有效地“钉扎”晶界，阻碍晶界 钛中加铝，可降低合金的熔点，提高B转变温 的迁移，进而提高铝合金基体组织结构在高温下 度，在室温和高温都起到强化作用.因此，几乎所 的稳定性，钛合金基体的弹性模量和热膨胀系数 有的钛合金中均含铝 与TC颗粒的相差较大，热失配和应变不匹配产 TB2合金含8%Cr,实践表明，高铬合金锻造 生的应力场会阻碍位错的滑移，从而产生位错强 抗力较大，而且高铬含量也是造成不良机加工性 化.而且，TC的制备成本较之TB,或TB低得多， 能的原因之一，通过逐渐降低TB2合金的Cr含 因此为了使喷射成形自生颗粒增强钛基复合材 量，合金会从机械稳定的B合金变为机械不稳定 料能早日步入国防工业应用领域，实验过程中重 的近B合金. 点研究、开发了TC颗粒增强钛基复合材料的关 近β型合金兼有α+B两相和亚稳定B相合金 键技术， 的性能特征，即在固溶状态下具有良好的冷加工2.3TC颗粒的生成机制 性能，又在固溶时效状态下具有良好的强度、塑 在钛合金熔体中，TC-A1体系如何反应生 性和断裂韧性的匹配，而且，热加工工艺性能优 成TiC报道不多.文献[6，刀主要探讨TiC颗粒 异，加工温度及变形抗力远低于大多数工业钛合 增强钛基复合材料的拉伸和形变断裂行为.对 金，适于航空、航天和军用大截面结构件， TiC-AI体系高温自蔓延(SHS)的燃烧模式，已有 实验最终确定合金的名义成分为Ti-5Mo- 人进行了一些研究”。通过研究发现，当加热样 5V-2Cr-3A1.化学分析结果为（质量分数，%）： 品时，首先形成富铝的化合物，然后这些富铝的 Mo,4.7:V,4.6:Cr,1.65;Al,2.6:Fe,<0.1:C,0.002: 化合物通过一系列中间过渡反应向最终产物转 Si,0.031:H,0.003:0,0.10. 化，加热过程中，铝的熔化及其在表面张力作用 2.2增强相的选择 下在基体内的铺展具有很高的质量传递速度，铝 熔铸一原位反应喷射沉积成形颗粒增强钛 熔化后形成的液一固快速反应放热与升温保证 基复合材料制备技术的本质是利用金属熔体作 了燃烧过程的持续进行. 为热源引发预制块组元间的高放热反应以获得 已有的研究表明，TiC-A预制块在合金熔 所需要的颗粒增强钛基复合材料， 体中内生TiC颗粒时，反应初期主要以生成Al,Ti 发展颗粒增强钛基复合材料的关键是选择 相为主，反应3Al+Ti,→AlTi进行的速度极快，放 相容性好的颗粒增强相.可供选择的颗粒增强相 出的热量可能使部分A,T处于液相状态.这时， 有：金属陶瓷TiC,BN,SiC,TB和TB,等：金属间 C能扩散进入这部分AlTi液中，按反应AlTi+C 化合物如Ti,Al,TiAl,Ti,Si等；氧化物如Al2O, →3A+TiC进行生成一部分TiC颗粒，即在较低 Z,O,R,O,(R为稀土元素)，其共同特点是熔点、 的温度区时，生成TC的反应是由相对较慢的扩杨滨等 熔铸 一 原位 反应 喷射沉积成 形 汀 一 卜 一 复合材料 微观组织和 力学 性 能 。 。 体 、 增 强 体 的性 能 以及 增 强 体 与 基 体 界 面 的特 性 通 常 ， 颗粒 在 钦 基 复合材料 中的体积 分 数 小 于 因此 按混 合 定律计 算基材 对 钦 基 复合 材 料 力 学性 能 的贡 献 仍然 应 占主 导 地 位 一 扁 卜 合 金 是 我 国 自行 研 制成 功 的一 种亚 稳 定型 合 金 研 究和 实 际应 用表 明‘ ， 该合 金具有 高的强度 、 深 的淬硬 性和 良 好 的断裂韧性 然 而 ， 合金 作 为锻件 使 用 时 ， 其可 锻 性 、 高强 状 态 下 的拉 伸 延 性 都 不 如 高强 十 合金 因此 ， 目前 高强 、 高韧 性 钦 合 金 的发 展 趋 势是减 少 稳 定元素 的含 量 ， 研 制近 型 合 金‘ 元 素 。 ， 在周 期表 上 的位 置 靠 近 ， 具 有 与 钦相 同的 晶格类 型 ， 能与 钦 无 限互 溶 ， 以 置 换 方式大量 溶入 归钦 中 ， 产 生较 小 的晶格 畸变 ， 因 此 元 素 ， 在 强 化 钦 合 金 的 同时 ， 可 保 持其 较 高 的塑 性。 ， 钦 中加铝 ， 可 降低 合 金 的熔 点 ， 提 高 转变 温 度 ， 在 室温和 高温都起 到强化 作用 因此 ， 几 乎所 有 的铁合 金 中均 含 铝 合 金 含 实践 表 明 ， 高铬 合 金锻 造 抗 力较 大 ， 而 且 高铬含 量 也 是造成 不 良机 加工 性 能 的原 因之 一 通 过 逐 渐 降低 珊 合 金 的 含 量 ， 合 金 会 从 机械 稳 定 的 合 金 变 为机 械 不 稳 定 的近 合 金 近 型钦合 金 兼有 两 相 和 亚稳 定 相 合金 的性 能特征 ， 即在 固溶状态 下 具有 良好 的冷加 工 性 能 ， 又 在 固溶 时 效状 态 下 具 有 良好 的强 度 、 塑 性和 断裂韧 性 的匹配 ， 而 且 ， 热 加 工 工 艺 性 能优 异 ， 加 工温度 及 变 形抗 力远低 于 大 多数工 业钦合 金 ， 适 于 航 空 、 航天 和 军 用 大截 面 结 构件 实验 最 终 确 定 合 金 的 名 义 成 分 为 一 。 佗 化 学分 析 结 果 为 质 量 分 数 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 增 强相 的选择 熔 铸 一 原 位 反 应 喷射 沉 积 成 形 颗 粒 增 强 钦 基 复合 材 料 制 备 技 术 的本 质 是 利 用 金 属 熔 体 作 为热 源 引 发 预 制 块 组 元 间 的 高 放 热 反 应 以获得 所 需 要 的颗 粒 增 强 钦基 复合材 料 发 展 颗 粒 增 强 钦 基 复 合 材 料 的 关键 是 选 择 相 容性好 的颗 粒增 强相 可 供选择 的颗粒 增强相 有 金 属 陶瓷 ， ， ， 和 等 金 属 间 化 合 物 如 八 ， 认 ， ， ， 等 氧 化 物 如 ，， ， 凡 为稀 土 元 素 其共 同特 点是熔 点 、 比强 度 和 比 刚度 高 以及 化 学 稳 定 性 好 早 期 颗 粒 增 强 钦 基 复 合 材 料 的 发 展 多 以高 温 应 用 为主 要 目标 ， 为 此 集 中发 展 了 认 帕 基 、 仇 基 、 基 等 一 系 列 用 或 颗 粒 增 强 的钦基 复合 材料 这些颗粒 增 强钦基 复合 材料 大 多采用粉末 冶金 工 艺 用 粉末 冶 金 工艺制 备颗粒增 强钦基复合材料 时 ， 必 须经 过 真空 高温 活 化烧 结 、 真 空 热 压 或 热 等 静 压 等 工 艺 过程 ， 致 使材料 成本较 高 近 年 来 ， 颗 粒 增 强 钦 基 复 合 材 料 受 到 材 料 工 作者 普 遍 关注 这 是 由于 在 过渡 金 属 碳 化 物 中具 有 较 高 的 比强 度 和 比模量 在钦 和 钦合金 中热 力学稳 定 ， 作为增 强 相 具 有 良好 的相 容 性 从 己有 的熔 铸 一 喷射 沉 积 成 形 自生 颗 粒 增 强 铝 基 复合 材 料研 究 中获 知 ， 原位 反应 、 细 小 的 颗 粒 能够 有 效地 “ 钉 扎 ” 晶界 ， 阻碍 晶界 的迁移 ， 进 而提 高铝 合 金基 体组 织 结构在 高温 下 的稳 定性 钦合金基 体 的弹性模量 和 热 膨胀 系数 与 颗粒 的相 差 较 大 ， 热 失 配 和 应 变 不 匹 配 产 生 的应 力场 会 阻碍位错 的滑 移 ， 从而 产 生位错 强 化 而且 ， 的制备成 本较 之 或 低 得 多 ， 因此 为 了使 喷射 成 形 自生 颗 粒 增 强 钦 基 复合 材 料 能早 日步入 国防工业应用 领 域 ， 实验 过 程 中重 点研 究 、 开 发 了 颗 粒增 强 钦 基 复合 材料 的关 键 技 术 颗粒 的生 成机 制 在 钦合 金 熔 体 中 ， 曰 一 体 系 如何 反应 生 成 报道 不 多 “ ， 文 献 ， 主 要 探 讨 颗粒 增 强 钦 基 复合 材 料 的拉 伸 和 形 变 断 裂 行 为 对 一 体 系 高温 自蔓延 的燃烧模 式 ， 已有 人 进 行 了一 些研 究‘， 。 通 过 研 究发现 ， 当加 热 样 品 时 ， 首 先形 成 富铝 的化 合 物 ， 然 后 这 些 富铝 的 化 合 物通 过 一 系列 中间过 渡 反应 向最 终产 物 转 化 加 热 过程 中 ， 铝 的熔化及 其在 表 面 张 力作 用 下 在基 体 内的铺 展 具有 很高 的质 量 传 递速度 铝 熔 化 后 形 成 的液 一 固 快 速 反 应 放 热 与 升 温 保 证 了燃烧 过 程 的持 续 进 行 己 有 的研 究表 明 ， 一， 预 制块在 合 金熔 体 中 内生 颗 粒 时 ， 反应 初 期 主 要 以生 成 相 为主 反 应 ， 进 行 的速 度 极 快 ， 放 出 的热 量 可 能使 部 分 处 于 液 相 状 态 这 时 ， 能扩 散进 入 这 部 分 卜 液 中 ， 按 反应 祀 进 行 生成 一 部分 颗 粒 ， 即在较 低 的温度 区 时 ， 生 成 的反应 是 由相 对 较慢 的扩