内生枝晶增韧的钛基非晶复合材料超塑性及其变形机制

Ti-based Metallic Glass Matrix Composites (MGMCs) have promising application prospects in aerospace due to their low density, high specific strength and excellent plasticity. However, superplasticity and deformation mechanism of these composites have not been revealed. In this project, therefore, Ti-based MGMCs reinforced by in-situ β-Ti dendrite phase was employed to investigate the superplasticity and deformation mechanism. The relationships between the microstructure and mechanical properties will be systematically investigated in the supercooled liquid region. Moreover, the main factors which produce the influence on the superplasticity of the materials also will be studied. The coordination deformation of the dendrite phase, glassy matrix and interface will be clarified. Finally, the superplastic deformation mechanism of Ti-based MGMCs will be illuminated, which can provide the theoretical support and practical basis for their actual processing, forming and engineering application.

基于轻质高强和高塑性的优势，内生枝晶相增韧的钛基非晶复合材料在航空航天等领域极具发展前景。然而，这类材料的超塑性及其变形机制方面仍然缺乏研究。本项目以内生β钛增韧的钛基非晶复合材料为研究对象，对该材料超塑性及其变形机制进行研究。研究过冷液相区内材料微观组织与力学性能之间的关系，并且研究材料超塑性变形的主要影响因素，重点明确晶体相、非晶基体与界面在复合材料超塑性变形中的协同作用，最终阐明其超塑性变形机制，为其实际加工成型与工程应用提供理论支持与实践依据。

非晶合金在过冷液相区表现出均匀超塑性变形，在实际工业应用中，运用热轧、挤压等传统工艺制备高精度的器件已经得以实现，然而，其室温脆性严重限制了应用。而非晶复合材料有效改善塑性，对其高温塑性成型能力的研究就显得尤为重要，而晶体与非晶体结构不同，导致变形机制、对条件的依赖性也有所差异，研究内生枝晶增韧的非晶复合材料在高温条件下的力学行为与变形机理对于深入全面认识非晶复合材料变形理论有普遍的科学意义。本项目以Ti-Zr-V-Cu-Be体系非晶复合材料为对象，对其高温条件下的力学行为和微观变形机制进行研究。通过高温拉伸和压缩实验结果表明，过冷液相区变形，该材料拉伸表现出软化行为且塑性变形有限，而压缩表现出加工硬化现象，且塑性变形可达到50 %以上、甚至实现超塑性变形。对Ti40Zr24V12Cu5Be19，Ti58Zr16V10Cu4Be12和Ti62Zr12V13Cu4Be9 (at %)三种不同成分的Ti基非晶复合材料过冷液相区不同条件下的压缩性能研究结果表明，屈服强度随着树枝晶体积分数、尺寸的增加，应变率的增加和温度的减少而增加，变形后树枝晶发生严重的晶格畸变，基体出现晶化。变形过程中的应变率敏感性由非晶基体主导，而加工硬化能力由树枝晶主导，随着树枝晶体积分数和尺寸的增加，温度的升高和应变率的下降，非晶复合材料的应力过冲现象逐渐减弱并消失表现出均匀牛顿变形，总结已有的实验结果归类绘制出热塑性成型图。通过修正Arrhenius模型建立本构关系，实现理论与实际性能的联系。为模拟非晶复合材料高温变形“应力过冲”与“加工硬化”行为，我们借助于人工神经网络模型，精确的模拟出钛基非晶复合材料过冷液相区的变形特征，这些研究发现为Ti基非晶复合材料的热塑性成型加工及工业的实际成型过程提供理论依据。