SiC/Ti基复合材料中Ti基体超细晶的形成和强化机理

Although the mechanical properties and the mechanism of strengthening and toughening of alloys can be changed greatly by nano- or ultrafine-grains, and according to the role of mixture, the change will influence the mechanical behavior of composites in which the alloy is as matrix, no attention has been paid to the ultrafine grained microstructure of the matrix alloy in SiC/Ti composites. The project tries to study the formation mechanism of the ultrafine grained matrix Ti alloy in the SiC/Ti composites. The influence of the interfacial reaction and elements diffusion in the composites on the ultrafine grained microstructure and the phase transformation of the ultrafine grained Ti alloy will be investigated. The strengthening and toughening of the ultrafine grained Ti alloy will be researched and its effect on the properties of the SiC/Ti composites will be discussed,after comparing with that of normal coarse grained materials. It is of great significance for revealing the micro natures of strengthening and toughening of both the ultrafine grained Ti alloy and the SiC/Ti composites with ultrafine grained Ti matrix. The project can provide theoretical instructions for the applications of the SiC/Ti composites in aerospace field.

尽管合金的纳米化和超细晶化可以极大地改变合金的力学性能和强韧化机理，也会明显影响以该合金为基体的复合材料的力学性能，但SiC/Ti基复合材料中的超细晶Ti合金基体组织并没有引起人们的关注。本项目研究SiC/Ti基复合材料中的超细晶基体Ti合金组织的形成机理与相变规律、复合材料界面反应以及元素扩散对超细晶基体Ti合金组织的影响规律、超细晶基体Ti合金的强韧性及微观机理、超细晶组织对SiC/Ti基复合材料力学性能的影响规律，并于常规粗晶材料进行对比分析。本项目的研究对揭示SiC/Ti基复合材料以及超细晶Ti合金材料的强韧化机理均具有重要的理论意义，对SiC/Ti基复合材料在航空航天领域的应用具有重要的理论指导价值。

系统研究了纤维涂层法制备SiC/Ti基复合材料过程中（磁控溅射涂层、热等静压成形，热处理）基体超细晶钛合金的形成规律和机理、界面反应、超细晶SiC/Ti基复合材料的力学性能和机理。研究表明，磁控溅射Ti合金涂层的晶粒尺寸仅有几十纳米，经过热等静压成型后，根据成形温度，SiC/Ti-6Al-4V中基体合金的晶粒长大到几到十几微米，仍远小于常规钛合金的晶粒尺寸。而SiC/-TiAl中基体的晶粒只有约500纳米。建立了复合材料中晶粒长大的模型，为成形过程对SiC/Ti基复合材料基体组织的影响提供了有价值的信息。SiC/-TiAl中基体在整个制备过程中的相变为：非晶TiAl→α-TiAl+非晶TiAl→α2-TiAl+γ-TiAl。SiC/Ti-6Al-4V、SiC/-TiAl以及具有C/Mo界面涂层的SiC/C/Mo/Ti-6Al-4V复合材料的界面反应形成了不同的反应产物，建立了其反应层生长动力学关系，为这几种复合材料体系在高温的应用奠定了基础。针对纤维推出（push-out）试验，建立了超细晶SiC/Ti基复合材料的界面断裂韧性理论模型。以断裂力学为基础推导出了GIIc 的理论公式，能可靠地预测SiC纤维增强Ti基复合材料的界面断裂韧性。全面测定了制备态SiC/Ti-6Al-4V复合材料的室温拉-拉疲劳性能，建立其疲劳寿命曲线的数学模型，发现C/Mo界面涂层可提高热处理态复合材料的疲劳寿命，指出了改善SiC/Ti-6Al-4V复合材料疲劳寿命的有效途径。本研究还采用高分辨透射电镜原位观察hcp-Ti裂纹尖端的孪生过程，初步揭示了其孪生变形机理。