金属顶刊《Acta Materialia》：钛基复合材料强度-塑性-韧性的同时提高！

2023-06-01 13:27:21 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

近期，西安交通大学材料学院的高义民教授团队的李强博士生，联合新加坡南洋理工大学的黄升博士、赵亚凯博士和Upadrasta Ramamurty教授，针对钛基复合材料（TMCs, Titanium matrix composites）中陶瓷相添加导致塑韧性降低问题展开研究。相关研究结果以“Simultaneous Enhancements of Strength, Ductility, and Toughness in a TiB Reinforced Titanium Matrix Composite”为题，发表在金属材料领域顶级期刊Acta Materialia上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118995

为进一步提高钛合金的比强度、比刚度及高温性能等，常向钛合金中引入陶瓷增强相制备钛基复合材料。但陶瓷相（如TiB）的添加，往往会降低复合材料的延展性和断裂韧性等，这主要是由于增强相颗粒常位于晶界处。该研究采用粉末冶金技术制备了TMCs（其中大部分一硼化钛（TiB）颗粒位于晶粒内），并对其微观组织、室温拉伸性能、I型断裂韧性和疲劳裂纹扩展行为进行了系统研究。

结果表明，当大多数微米级TiB均位于晶内时，1 vol.%的TiB添加可实现强度、塑性和断裂起始韧性的同时提高！相对于无TiB添加的纯钛试样，1 vol.%TiB/Ti复合材料的屈服强度（σ_y）、断裂延伸率（e_f）和断裂起始韧性（K_Q）分别提高了93.9%、35.0%和67.0%。间断拉伸试验表明，GB-TiB（与晶界相交的TiB）和IG-TiB（完全位于晶内的TiB）在TMC变形过程中的作用存在显着差异。GB-TiB在材料颈缩之前发生断裂，表明它们限制材料塑性的作用；而大多数IG-TiB在材料断裂之前均保持完好，可在材料变形过程中作为位错滑移的障碍，提高Ti基体的应变硬化率。此外，还对制备的钛基复合材料的断裂力学进行研究，例如断裂韧性和疲劳裂纹扩展行为。

图片摘要

几个世纪以来，学者们一直致力于研发出更强、更韧、更轻及更耐高温的材料，其中金属基复合材料（MMCs, Metal matrix composites）在过去的50年间收到了广泛关注。钛基复合材料因其高比强度、比刚度、优异的高温性能和较低的热膨胀系数等，在航空航天、汽车和民用等行业都有着很大的应用潜力，可用于替换传统材料以实现减重、提高使用性能和服役温度等目的。虽然已有大量的研究表明，相对于钛合金，钛基复合材料有着更好的高温服役性能，例如高温强度、抗氧化性和抗蠕变性能等，但室温脆性仍是钛基复合材料的一大瓶颈问题！近年来，针对TMCs的室温脆性问题，国内外学者们已开展了一系列研究，例如调控增强相的分布、降低增强相尺寸等，但是绝大部分钛基复合材料的塑性仍低于无增强相添加的钛合金。

在本研究中，通过粉末冶金法制备了大部分微米级TiB（~80%）均位于Ti晶粒内部的钛基复合材料。在TiB体积分数为1%的钛基复合材料中，实现了强度、塑性和断裂起始韧性（K_Q）的同时增强。对试样进行间断拉伸试验，研究讨论了TiB位置的重要性，结果表明，位于晶内的IG-TiB，在以平面滑移为主的α-Ti基体中，可阻碍位错滑移，促进双系滑移/多系滑移的开动，提高基体的加工硬化率，进而增强材料塑性。对疲劳裂纹扩展行为进行研究发现，在无TiB添加的C0试样中，粗大晶粒是裂纹偏转的原因，而在复合材料试样中，TiB主导了疲劳裂纹的偏转行为。

表1. TMCs的化学成分、理论TiB体积分数以及用于制备的AlB₂添加量