碳化硅顆粒增強(qiáng)TC11鈦基復(fù)合材料的組織與力學(xué)性能研究

趙鵬飛,劉 躍,唐 莉,張于勝,伍復(fù)發(fā)

(1.遼寧工業(yè)大學(xué), 遼寧 錦州 121001) (2.西安稀有金屬材料研究院有限公司, 陜西 西安 710016) (3.西部新鋯核材料科技有限公司, 陜西 西安 710200)

鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。為了進(jìn)一步提高鈦合金的力學(xué)性能，滿足航空工業(yè)發(fā)展的需要，研究人員開展了大量以鈦合金為基體的鈦基復(fù)合材料的研制工作[1]。在鈦基復(fù)合材料中引入的增強(qiáng)體材料有硼化鈦、碳化鈦、石墨烯、氮化鈦等[2-4]。碳化硅具有高強(qiáng)度、高硬度、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能，已在鋁基[5]、鎂基[6]復(fù)合材料中得到應(yīng)用。Liu等[7]在鈦基體中引入了碳化硅納米線，以提高其力學(xué)性能。但碳化硅納米線制備復(fù)雜，價(jià)格昂貴，而且不易均勻分散在基體中，制約了其在復(fù)合材料中的應(yīng)用。相比之下，碳化硅顆粒制備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在復(fù)合材料中較易分散均勻，是理想的金屬復(fù)合材料增強(qiáng)體。

TC11鈦合金名義成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，主要用于制造服役溫度為500 ℃的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件以及飛機(jī)上的一些結(jié)構(gòu)件，是目前航空工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的鈦合金之一。本實(shí)驗(yàn)采用行星球磨機(jī)對(duì)TC11鈦合金粉末和碳化硅顆粒(SiCp)進(jìn)行球磨，利用放電等離子體燒結(jié)工藝(SPS)制備了SiCp/TC11復(fù)合材料，研究了碳化硅顆粒對(duì)鈦合金組織及室溫和高溫力學(xué)性能的影響，以期進(jìn)一步提高TC11鈦合金的力學(xué)性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用原材料為TC11鈦合金粉末(西安歐中材料科技有限公司生產(chǎn))和碳化硅顆粒。TC11鈦合金粉末為規(guī)則的球形,粒度為15～53 μm,如圖1a所示。碳化硅顆粒為不規(guī)則的多邊形，形貌如圖1b所示。

圖1 TC11鈦合金粉末與碳化硅顆粒的微觀形貌Fig.1 Micromorphologies of TC11 titanium alloy powder (a) and SiC particles (b)

1.2 SiCp/TC11復(fù)合材料的制備

稱取TC11鈦合金粉末及碳化硅顆粒，將其置于QM-3SP4行星式球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，球磨轉(zhuǎn)速為300 r/min，球磨時(shí)間為5 h。球磨罐和磨球材質(zhì)均為不銹鋼，球料比為3∶1。

將混合均勻的粉末放入內(nèi)徑為50 mm、高度為110 mm的石墨模具中，采用放電等離子體燒結(jié)爐(SPS-80T-20)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000 ℃，升溫速率為100 ℃/min，壓力為40 MPa，真空度為5.0×10-3Pa。通過改變碳化硅顆粒與TC11鈦合金粉末的質(zhì)量比，制備了碳化硅顆粒含量分別為0.1%、0.3%和0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的SiCp/TC11復(fù)合材料，分別命名為TC11-0.1SiCp、TC11-0.3SiCp、TC11-0.5SiCp。為了便于比較，采用相同工藝燒結(jié)制備TC11鈦合金。圖2為SiCp/TC11復(fù)合材料制備工藝流程圖。為了測(cè)量復(fù)合材料的高溫性能，對(duì)其進(jìn)行了熱軋加工，軋制溫度為900 ℃，總變形量為75%。熱軋后復(fù)合材料的厚度為2 mm。

圖2 SiCp/TC11復(fù)合材料制備工藝流程圖Fig.2 Preparation process flow diagram of SiCp/TC11 composite

1.3 性能表征

采用UTM5105X型電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，對(duì)燒結(jié)態(tài)SiCp/TC11復(fù)合材料進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試，對(duì)軋制態(tài)復(fù)合材料進(jìn)行高溫拉伸性能測(cè)試。拉伸速度為0.5 mm/min。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每種試樣至少測(cè)試2個(gè)樣品。采用HVS-1000Z型數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)量樣品的顯微硬度，壓頭材質(zhì)為金剛石，載荷為4.9 N，保壓時(shí)間為10 s。每組試樣測(cè)試10個(gè)點(diǎn)，取平均值作為測(cè)量結(jié)果。

采用蔡司Axiovert A1金相顯微鏡觀察SiCp/TC11復(fù)合材料的微觀組織。采用JEOL6700型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察SiCp/TC11混合粉末表面形貌及復(fù)合材料斷口形貌，并利用附帶的能譜儀(EDS)分析新生成相的成分。采用SU3500型掃描電鏡附帶的電子背散射衍射系統(tǒng)(EBSD)進(jìn)行物相鑒定。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合粉末的微觀形貌

圖3為球磨后不同碳化硅顆粒含量的SiCp/TC11混合粉末的SEM照片。碳化硅顆粒添加量為0.1%時(shí)，球磨過程中TC11球形粉末與堅(jiān)硬的碳化硅顆粒相互作用，表面略有變形(圖3a)。碳化硅顆粒添加量為0.3%時(shí)，粉末表面形貌(圖3b)與添加量為0.1%時(shí)(圖3a)差異不大。碳化硅顆粒添加量為0.5%時(shí)，因碳化硅顆粒含量較高，球形粉末表面附有較多的碳化硅顆粒，并且碳化硅顆粒分布較為均勻，沒有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象(圖3c)。

圖3 球磨后不同碳化硅顆粒含量的SiCp/TC11混合粉末的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM morphologies of SiCp/TC11 mixed powder with different SiC particle contents after ball milling: (a) 0.1%; (b) 0.3%; (c) 0.5%

2.2 SPS燒結(jié)試樣的顯微組織

圖4為燒結(jié)態(tài)TC11鈦合金和燒結(jié)態(tài)SiCp/TC11復(fù)合材料的金相照片。未添加碳化硅顆粒時(shí)，TC11鈦合金的原始β晶粒尺寸較大，大約為517 μm，片層狀的次生α相尺寸較小(圖4a)。碳化硅顆粒含量為0.1%時(shí)，復(fù)合材料基體晶粒尺寸銳減至160 μm(圖4b)。這是由于添加的碳化硅顆粒釘扎在晶界處，阻止了晶粒的長(zhǎng)大，從而起到細(xì)化晶粒的作用，并且次生α相尺寸增大。隨著碳化硅顆粒含量的增加，SiCp/TC11復(fù)合材料的晶粒尺寸進(jìn)一步減小，當(dāng)碳化硅顆粒含量達(dá)到0.3%時(shí)，復(fù)合材料基體晶粒尺寸為140 μm，為典型的魏氏組織(圖4c)。碳化硅顆粒含量達(dá)到0.5%時(shí)，基體晶粒尺寸為130 μm，次生α相尺寸明顯增大，可以清晰地看到復(fù)合材料微觀組織包括板條狀的α相、晶界α相以及晶間β相(圖4d)。燒結(jié)態(tài)SiCp/TC11復(fù)合材料表面未見孔洞等缺陷，表明在此工藝條件下能夠燒結(jié)出致密的復(fù)合材料。

圖4 燒結(jié)態(tài)TC11鈦合金和SiCp/TC11復(fù)合材料的微觀組織Fig.4 Microstructures of sintered TC11 titanium alloy and SiCp/TC11 composites: (a) TC11 titanium alloy; (b) TC11-0.1SiCp; (c) TC11-0.3SiCp; (d) TC11-0.5SiCp

2.3 維氏硬度

圖5為燒結(jié)態(tài)TC11鈦合金和SiCp/TC11復(fù)合材料的維氏硬度。從圖5可以看出，隨著碳化硅顆粒含量的增加，SiCp/TC11復(fù)合材料的硬度不斷提高，當(dāng)碳化硅顆粒含量達(dá)到0.5%時(shí)，復(fù)合材料的硬度達(dá)到4137 MPa，相比TC11鈦合金(3284 MPa)提高了25.97%。

圖5 燒結(jié)態(tài)TC11鈦合金和SiCp/TC11復(fù)合材料的維氏硬度Fig.5 Vickers hardness of sintered TC11 titanium alloy and SiCp/TC11 composites

2.4 拉伸性能

燒結(jié)態(tài)TC11鈦合金和SiCp/TC11復(fù)合材料的室溫拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖6，室溫拉伸性能見表1。從圖6和表1可以看出，隨著碳化硅顆粒含量的增加，SiCp/TC11復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸升高。當(dāng)碳化硅顆粒含量達(dá)到0.5%時(shí)，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為1077 MPa和1107 MPa，相比TC11鈦合金分別上升了31.3%和14.1%。這是由于SiCp/TC11復(fù)合材料組織為魏氏組織，室溫拉伸強(qiáng)度較高，但是塑性較低。

圖6 燒結(jié)態(tài)TC11鈦合金和SiCp/TC11復(fù)合材料的室溫拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Engineering stress-strain curves at room temperature of sintered TC11 titanium alloy and SiCp/TC11 composites

表1 燒結(jié)態(tài)TC11鈦合金和SiCp/TC11復(fù)合材料的室溫拉伸性能Table 1 Room temperature tensile properties of sintered TC11 titanium alloy and SiCp/TC11 composites

表2為軋制后的TC11鈦合金和SiCp/TC11復(fù)合材料在500 ℃下的高溫力學(xué)性能。從表2可以看出，隨著碳化硅顆粒含量的增加，SiCp/TC11復(fù)合材料的高溫抗拉強(qiáng)度逐漸升高，延伸率逐漸降低。軋制態(tài)TC11-0.1SiCp、TC11-0.3SiCp、TC11-0.5SiCp的抗拉強(qiáng)度分別為947、953、967 MPa，較TC11鈦合金分別上升了4.8%、5.4%、6.9%；延伸率分別為8.1%、7.1%、6.8%，較TC11鈦合金分別下降了17.3%、27.6%、30.6%。

表2 軋制態(tài)TC11鈦合金和SiCp/TC11復(fù)合材料的高溫拉伸性能Table 2 High temperature tensile properties of TC11 titanium alloy and TC11/SiCp composites after rolling

2.5 斷口形貌

圖7為燒結(jié)態(tài)TC11鈦合金和SiCp/TC11復(fù)合材料的室溫拉伸斷口形貌。從圖7a可以清晰地觀察到大量韌窩，說明TC11鈦合金為典型的韌性斷裂。加入0.1%碳化硅顆粒后，斷口中逐漸產(chǎn)生一些微孔(圖7b)。微孔的形成主要是由于碳化硅顆粒與鈦基體的熱膨脹系數(shù)不同(αSiC=4.3×10-6K-1，αTi=8.5×10-6K-1)。在承受載荷時(shí)，裂紋會(huì)在微孔處萌生，導(dǎo)致復(fù)合材料的塑性大幅度下降，因此引入碳化硅顆粒后，復(fù)合材料的塑性下降。圖7c是圖7b局部放大圖。從圖7c可以看到，微孔周圍聚集著大量顆粒，并存在撕裂棱。使用能譜儀對(duì)圖7c中的顆粒物進(jìn)行分析，結(jié)果顯示其成分主要為Ti元素和C元素，可能為碳化硅顆粒與基體反應(yīng)生成的碳化鈦。當(dāng)碳化硅顆粒含量增加到0.3%時(shí)，微孔數(shù)量進(jìn)一步增加，韌窩尺寸變小(圖7d)。當(dāng)碳化硅顆粒含量達(dá)到0.5%時(shí)，斷口韌窩數(shù)量急劇減少，呈現(xiàn)出典型的脆性斷裂形態(tài)(圖7e)。

圖7 燒結(jié)態(tài)TC11鈦合金和SiCp/TC11復(fù)合材料的斷口形貌Fig.7 Fracture morphologies of sintered TC11 titanium alloy and SiCp/TC11 composites: (a) TC11 titanium alloy; (b) TC11-0.1SiCp; (c) enlarged view of box zone in Fig 8b; (d) TC11-0.3SiCp; (e) TC11-0.5SiCp

圖8為不同碳化硅含量的SiCp/TC11復(fù)合材料的EBSD像。從圖8可以確定，碳化硅顆粒與鈦基體發(fā)生反應(yīng)，生成了碳化鈦顆粒，并且隨著碳化硅顆粒含量的增加而逐漸增多。鈦與碳化硅反應(yīng)生成碳化鈦時(shí)的反應(yīng)式以及吉布斯自由能可以用公式(1)和公式(2)來表示[7]:

圖8 燒結(jié)態(tài)SiCp/TC11復(fù)合材料的EBSD像Fig.8 EBSD images of sintered SiCp/TC11 composites： (a) TC11-0.1SiCp; (b) TC11-0.3SiCp; (c) TC11-0.5SiCp

(1)

ΔG=-218.89+2.23×10-4T-2.47×10-6T2

+2.63×10-9T3

(2)

式中：ΔG為吉布斯自由能，kJ/mol;T為反應(yīng)溫度,K。當(dāng)反應(yīng)溫度為1000 ℃時(shí)，吉布斯自由能為-217.18 kJ/mol，說明鈦與碳化硅的反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行。原位生成的碳化鈦顆粒能夠有效改善碳化硅顆粒與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，有利于提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

3 碳化硅顆粒增強(qiáng)機(jī)理

SiCp/TC11復(fù)合材料力學(xué)性能的提高可以歸因于以下幾個(gè)方面。

(1) 晶粒細(xì)化如圖4所示，SiCp/TC11復(fù)合材料的晶粒尺寸隨著碳化硅顆粒含量的增加而減小。晶粒細(xì)化，產(chǎn)生高體積密度的晶界，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和位錯(cuò)向臨近晶粒的擴(kuò)展，從而強(qiáng)化材料[8]。眾所周知，材料的屈服強(qiáng)度與晶粒大小的關(guān)系可以用Hall-Petch公式解釋，如公式(3)所示[9]:

δ=δ0+kD-1/2

(3)

式中：δ為材料的屈服極限；δ0為單個(gè)位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的晶格摩擦應(yīng)力；k為與材料有關(guān)的常數(shù)；D為平均晶粒尺寸。材料的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的平方根成反比，因此晶粒尺寸的減小會(huì)使SiCp/TC11復(fù)合材料的強(qiáng)度增加。

(2) 固溶強(qiáng)化隨著溶質(zhì)原子的溶入，固溶體發(fā)生晶格畸變，晶格畸變可以增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使位錯(cuò)滑移變得更加困難，從而提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度。碳化硅顆粒中的碳元素和硅元素以及TC11鈦合金粉末中的氧元素都可以固溶到鈦基體中，起到固溶強(qiáng)化的作用[10-12]。在α-Ti中，添加0.01%的碳元素可使強(qiáng)度增加約7 MPa[13,14]。

(3) 載荷傳遞碳化硅顆粒以及原位生成TiC顆粒的增強(qiáng)效果在許多文獻(xiàn)中都有報(bào)道[15]。在SiCp/TC11復(fù)合材料拉伸過程中，載荷可以從基體轉(zhuǎn)移到碳化硅以及碳化鈦顆粒上，使基體承受載荷的能力增加。然而，由于碳化硅及碳化鈦顆粒具有較高的硬度和彈性模量，所以在提高復(fù)合材料強(qiáng)度的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致塑性下降。

4 結(jié) 論

(1) 采用放電等離子體燒結(jié)工藝成功制備了SiCp/TC11復(fù)合材料。在燒結(jié)過程中，鈦基體與碳化硅顆粒反應(yīng)生成碳化鈦，并且碳化鈦含量隨著碳化硅顆粒含量的增加而增大。

(2) SiCp/TC11復(fù)合材料的維氏硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨著碳化硅顆粒含量的增加而提高。TC11-0.5SiCp復(fù)合材料的硬度達(dá)到4137 MPa，相比于TC11鈦合金提高了25.97%，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度為1077、1107 MPa，相比于TC11鈦合金提高了31.3%、14.1%。TC11-0.5SiCp復(fù)合材料在500 ℃的高溫抗拉強(qiáng)度為967 MPa,較TC11鈦合金提高了6.9%。

(3) SiCp/TC11復(fù)合材料的主要增強(qiáng)機(jī)制為晶粒細(xì)化、固溶強(qiáng)化及載荷傳遞。