010-82930964 
编号：CYYJ043992
篇名：石墨烯增强钛基复合材料组织性能及强化机理研究
作者：于佳石
关键词： 钛基复合材料; 石墨烯; 异质结构; 界面微观组织; 力学性能; 摩擦性能; 强化机理; 断裂行为;
机构： 东北大学
摘要： 钛基复合材料以其高比强度、优异的高温性能被广泛应用于航空航天、冶金、造船、汽车、医学等诸多领域。随着航空航天的快速发展,对高性能钛基复合材料的设计与制备也提出了更高的要求。石墨烯是一种二维层状材料,具有优良的力学性能、高导电性和良好的导热性,其综合性能优于传统的纤维、晶须和颗粒增强相。目前,已成为金属基复合材料的关键增强材料之一。因此,研究石墨烯增强钛基复合材料组织、性能及强化机理对制备高性能石墨烯增强钛基复合材料具有重要的指导意义。 本文依据合金化、构型化和复合化设计理念,采用超声分散、机械球磨加放电等离子烧结技术(SPS)制备不同强度钛基体的石墨烯增强钛基复合材料,系统地研究石墨烯和微合金化对低强纯钛TA1、异质网状结构对中强TC4钛合金以及石墨烯复合化对高强TC21钛合金微观组织、力学性能及摩擦性能的影响,并研究热轧对石墨烯增强钛基复合材料组织与性能的影响。通过扫描电镜(SEM)对复合材料微观组织、拉伸断口及磨损表面进行分析;采用透射电镜(TEM)对复合材料的基体与增强体之间的界面进行表征与分析;通过室温拉伸及摩擦实验对复合材料拉伸性能及摩擦性能进行了评测;建立复合材料界面微观组织结构演化模型,分析石墨烯增强钛基复合材料的强化机制,对高性能石墨烯增强钛基复合材料的设计与制备具有重要的指导意义。主要研究结果如下: 首先,以低强度的纯钛TA1为基体,通过合金化和复合化进一步增强TA1基体。将钴(Co)元素与氧化石墨烯(GOs)先后包覆在纯钛TA1基体表面,然后通过SPS烧结制备GOs@Co/TA1复合材料。结果表明:原位自生TiC颗粒在晶界处呈不连续分布,添加的Co元素以金属间化合物Ti2Co相形式在晶内析出;GO@Co/TA1复合材料的抗拉强度和屈服强度分别比纯钛TA1提高了 344 MPa和508 MPa,且保持10.9%左右的延伸率,强度的提升主要来自于晶界TiC颗粒和晶内Ti2Co相对位错的阻碍作用。 其次,以中强度的TC4钛合金为基体,通过构型化和复合化进一步增强TC4合金。将硼(B)及氧化石墨烯(GOs)分别包覆在小粒径TC4及大粒径TC4基体颗粒表面,然后通过SPS制备一种异质网状结构(B+GOs)/TC4复合材料。结果表明:通过调节小粒径TC4及大粒径TC4的质量比,复合材料的微观组织是由连续网状结构的细晶区和具有良好塑性的粗晶区组成的异质网状结构。与TC4合金相比,异质网状结构(B+GOs)/TC4复合材料具有更高的强度和塑性,强度的增加主要是由于细晶区内产生的细晶强化作用和界面相的荷载传递效应;塑性优化主要取决于大尺寸TC4基体的存在以及异质网状结构对变形协调和裂纹扩展的改善。异质网状结构有效地解决了复合材料强度与塑性之间的矛盾。 此外,以高强度的TC21钛合金为基体,通过对比不同碳纳米材料增强TC21合金组织及性能,确定了石墨烯纳米片(GNPs)是TC21合金的最佳增强相。进一步研究了GNPs增强TC21复合材料的致密化过程,探究了 SPS温度对GNPs/TC21复合材料界面微观组织、力学性能和摩擦性能的影响。结果表明:随着烧结温度从850℃升高到1050℃,界面增强相呈现为三种形貌:(1)TC21颗粒表面包覆了 GNPs(850℃);(2)特殊TiC@GNPs夹层结构(900℃-1000℃);(3)在1050℃下,TiC颗粒在晶界不连续分布。当SPS温度为1000℃时,GNPs/TC21复合材料表现出最佳的综合性能,抗拉强度、屈服强度及延伸率分别为1167MPa、1041 MPa和4.4%。另外,GNPs/TC21复合材料的平均摩擦系数0.16275,比TC21合金降低了 23.5%。 最后,针对石墨烯分散性差的问题,采用石墨烯预分散+球磨的工艺制备改进GNPs/TC21复合材料。结果表明:混粉工艺改进很好地解决了石墨烯分散性差的问题。微观组织观察表明,当石墨烯含量超过0.1wt%后,晶界出现TiC@GNPs夹层结构;改进GNPs/TC21复合材料表现出更好的强塑性匹配及摩擦性能,其中,0.3wt%GNPs/TC21复合材料的屈服强度为997 MPa,抗拉强度为1135 MPa,且保持9.1%的延伸率;0.3wt.%GNPs/TC21复合材料的平均摩擦系数和磨损量分别为0.23455和0.0137 g。GNPs/TC21复合材料力学性能提高归因于固溶强化、细晶强化、TiC颗粒及TiC@GNPs夹层结构的弥散强化以及TiC/TiC@GNPs的荷载传递效应的协同增强;优异的耐磨性依赖于TiC/TiC@GNPs对基体的强化作用及GNPs的自润滑作用;GNPs/TC21复合材料的断裂机制以穿晶断裂为主。通过热轧制进一步改善GNPs/TC21复合材料的力学性能,0.3wt.%GNPs/TC21复合材料经热轧制后屈服强度及抗拉强度分别达到1294 MPa和1483 MPa,延伸率保持5.4%左右。
