Acta Mater.：SLM制备原位TiAl / TiB2金属基复合材料的结构演变和纳米硬度的提高

teliduxing 7年前 (2017-09-03) 5023浏览

【引言】

TiAl基合金具有低密度，优异的抗蠕变性和高温强度，且高温下抗氧化性能良好。因此成为航空航天等领域最具吸引力的高温结构材料之一。然而，由于其断裂韧性的各向异性和低于700℃时失效的低伸长率，其实际应用受到严重限制。

目前，制备金属基复合材料(MMCs)是控制TiAl基合金微观组织和相组成的一种非常普遍有效的方法，MMC将金属基体的强韧性和延性与陶瓷的刚性和低密度相结合。由于具有与TiAl基体相当的热膨胀系数和优异的化学相容性以及硼元素的晶粒细化效应，TiB₂被认为是TiAl基复合材料最具吸引力的增强材料之一。

【成果简介】

近日，华中科技大学魏青松教授和闫春泽副教授(共同通讯作者)研究团队于2017年7月4日在期刊Acta Materialia上发表了题为“Enhanced nanohardness and new insights into texture evolution and phase transformation of TiAl/TiB₂ in-situ metal matrix composites prepared via selective laser melting”的文章。研究人员首次通过选择性激光熔融(SLM)制备了具有纳米硬度极大提高的TiAl / TiB₂原位金属基复合材料(MMC)，研究了TiB₂强化对TiAl基合金显微组织特征，织构演变和相变的影响。结果表明，随着TiB₂含量的增加，平均晶粒尺寸逐渐减小。同时，TiB₂对SLM制备的TiAl / TiB₂基复合材料的织构有很大的影响。随着TiB₂含量的增加，可以形成更多织构。

【图文导读】

图1 SLM制备过程和样品的分析

(a) SLM过程的示意图；

(b)相对于样本坐标的激光扫描策略；

(c)晶体取向；

(d)-(d’’), (e)-(e”),(f)-(f’’) 和(g)-(g’’)分别表示SLM制备的样本S₀、S₁、S₂和S₃俯视的EBSD取向图；

图2样品的粒度分布

(a)-(d)分别为基于EBSD方向图的图像分析和图1所示的统计数据方法，样本S₀、S₁、S₂和S₃的粒度分布；

图3 SLM制备的不同TiB₂含量的TiAl / TiB₂ MMC样品的俯视图中{0001}、和的极图

(a) 0 wt％(S₀)； (b) 1 wt％(S₁)；

图4 SLM制备的不同TiB₂含量的TiAl / TiB₂ MMC的晶体取向的XRD极图

(a) 1 wt％(S₁)； (b) 2 wt％(S₂)； (c) 3 wt％(S₃)；

图5相组成

(a) Ti-Al二元相图，红色箭头表示Ti-45Al的凝固路径和相变；

(b) 样品S₀、S₁、S₂和S₃的XRD图；

(c)-(f) S₀、S₁、S₂和S₃的相组成和分布；

图6 α₂相的立体投影极图

(a) 描绘了α₂相的24个位置的结构的标准立体投影极图；

(b) 实验获得的S₁的α₂相立体投影极图；

图7 SLM制备的具有不同TiB2含量的TiAl / TiB₂ MMC的24个变化位置处的结构指数的定量分析

绿-0 wt％，蓝-1 wt％，红-2 wt％和黑色 - 3 wt％；

图8样品S₁的TEM分析

(a) S₁的明场TEM图像；

(b) (c)和(d)的选区衍射花样；

(d) 沿[001]轴的TiB (绿色箭头)的选区衍射花样；

图9样品的力学性能

(a) 加载-卸载(P-h)曲线；

(b) 样品S₀，S₁，S₂和S₃的计算的纳米硬度H_d值；

【小结】

随着TiB₂含量的增加，平均晶粒尺寸逐渐减小，晶体取向从强(0001)转变为和。同时，TiB₂对SLM制备TiAl / TiB₂MMCs的织构有很大的影响。随着TiB₂含量的增加，可以形成更多织构。 TiAl / TiB₂ MMC以α₂相为主，也检测出少量的γ，B₂，TiB₂和TiB相。TiB₂增强体是TiAl基合金基体中针状微TiB₂和不规则纳米TiB₂颗粒的形式，纳米TiB₂颗粒均匀分布，长度为10 nm，宽度为3-5 nm。SLM制备的TiAl / TiB₂ MMC表现出优异的纳米硬度10.57±0.53GPa，远高于传统的辊焊TiB₂增强TiAl基合金。