钛谷有色金属交易中心:钛基复合材料及其制备技术

     本文综述了钛基复合材料及其制备技术, 重点介绍了纤维增强钛基复合材料;(FTMCS) 和颗粒增强钦基复合材料(PTMCS) 的制备技术,分析了各种制备技术的优缺点。研究表明: 纤维涂层法具有纤维分布均匀,纤维与界面反应小,复合材料性能优异等优点,是一种很有前景的FTMCS的制备技术。原位合成工艺制备的PTMCS避免了界面反应, 界面清洁、结合强度高, 可以明显提高PTMCS的力学性能。
 
     国外对钛基复合材料的研究已有近40年的历史, 发展相当迅速, 开发出来的原位合成工艺、纤维涂层等制备技术已经成功用于制备高性能钛基复合材料。国内TMCS研究起步较晚, 虽取得了一定成绩, 但与国外相比还有一定差距。本文旨在对TMCS及几种主要制备技术进行概述,分析各种制备技术的优缺点, 为TMCS的发展提供参考。
 
     FTMCS的制备过程分为复合和压实2个过程。钛的化学性质活泼, 钛合金在高温下可以和大多数增强纤维发生化学反应,生成有害的界面反应物导致复合材料力学性能下降, 故FTMCS只能用固相法制备。目前FTMCS的制备技术主要有:箔一纤维-箔法( FFF ) , 等离子喷涂法(MCM) 和纤维涂层法(MCF)。常用的固化压实技术有热等静压(HIP) 和真空热压(VHP)两种。
 
     F F F 法是将具有高强度、高硬度的纤维与高温反应活性大的钛合金结合起来的简单有效的方法。该法把用金属丝或带交叉编织的纤维放在钛合金箔之间, 多层叠放后, 热压或热等静压固化压实。此法显示出较好界面结合性,该工艺的缺点主要表现在: 钛合金箔材难于加工, 价格昂贵。等离子喷涂法(MCM)该工艺用等离子喷枪把熔融或者接近熔融状态的钛合金以微米级颗粒喷向缠绕有纤维的转轮上, 将冷凝之后形成的单层薄带切割下来, 多层叠放, 然后热压或热等静压制成复合材料。该方法用熔融的钛合金基体固定增强纤维, 克服了FFF 法纤维不易固定的缺点。
 
     PTMCS主要的制备技术有: 粉末冶金法(P/M )、机械合金化(MA)、熔铸法、自蔓延高温合成工艺(SHS) 和放热扩散法(XD MT )。原位合成工艺可以有效地避免基体和增强颗粒间的界面反应, 制备的复合材料界面结合良好, 是PTMCS制备技术的主要发展方向。
 
     粉末冶金法是一种较成熟的颗粒增强复合材料的制备方法。先将基体合金粉末与增强体颗粒混合均匀, 然后经过真空除气, 压型, 烧结, 冷、热等静压工序制成部件。把原位合成反应引人P/M 制备出的TiB/Ti 中, 由于没有界面反应, 复合材料界面结合良好, 表现出较好的高温稳定性。机械合金化工艺利用基体合金粉末与颗粒增强体混合物在高能球磨机内经反复变形、破碎、焊合, 原子间相互扩散或进行固态反应而形成合金粉末帅。该方法可以将粒子细化到纳米级尺度, 有效地提高了复合材料的拉伸强度和塑性。
 
     钛基复合材料在国外已有许多的实际应用,我国钛基复合材料研究起步较晚, 也取得了一些成绩但总体来说,TMCS的研制落后于国外。如何降低材料的制备成本, 提高材料稳定性是材料研制应用过程中必须解决的问题。
 
     钛具有比强度高、耐海水及其他介质的腐蚀、耐低温,以及高温下具有高的疲劳强度、低的膨胀系数、良好的可加工性等优点,用其建造的结构在任何自然环境中都能充分发挥其作用。在舰船应用中,除利用其耐海水腐蚀和高比强度特点外,还有无磁、透声、抗冲击震动等优点,钛及钛合金在舰船中的使用大大延长了设备的使用寿命,减轻了重量,提升了设备及整舰船的技术战术性能,因此钛是一种优秀的舰船结构材料。

  焊接作为一种重要的金属加工工艺,在工业生产和国防建设中起着重要作用。随着产业结构的变化和科学技术的发展,先进的焊接结构是降低材料消耗,减轻结构质量的有效途径,各种焊接技术有着广阔的应用前景。随着钛工业的发展,其焊接技术也越来越引起人们的重视。钛的熔点较高、导热性较差,因此在焊接时易因参数选用不当形成较大的熔池,并且熔池温度高,这使得焊缝及热影响区金属在高温停留的时间较长,晶粒长大倾向明显,使接头塑性和韧性降低,导致产生裂纹。所以钛及钛合金的焊接工艺方法是一个需要不断解决完善的问题。
 
     钛及其合金焊接特点
1 钛及其合金的物理化学性能
  钛具有2种同素异形体,分别以α和β来表示,转变温度为882.5℃,其低温晶体α为密排六方晶格,在882.5℃以上稳定的β晶体为体心立方晶格。
  钛的导热性较差,其导热系数比不锈钢略低。当钛中存在杂质时,其导热系数则有所下降。
 
2 钛合金的焊接组织
  工业纯钛及α钛合金的焊接组织在常温下是单相,根据冷却速度的不同,生成锯齿状或针状组织。钛谷有色金属交易中心各种机械性能与母材相比没有大的变化,焊接性能良好。α+β钛合金在从β相冷却的过程中,形成马氏体(α'相),α'相的数量和性质按合金组成和冷却速度发生变化。一般情况下,随α' 相的增加,合金的延伸性、韧性降低,即使是焊接性良好的Ti-6Al-4V,当β稳定元素钒含量在5%以上时,焊接性能下降。β钛合金的马氏体生成温度低于室温,焊接处是亚稳定β相,所以焊接性不劣化。但因合金元素添加过多,往往缺乏延伸性。另外,时效和冷加工使合金强度提高,而焊接会使强度有所损失,故不大采用焊接接合。
 
3 钛合金的焊接缺陷
3.1 焊接接头区的脆化
  钛及钛合金焊接区易受气体等杂质的污染而产生脆化。造成脆化的主要元素有O、N、H、C 等。常温下钛及钛合金比较稳定,但随着温度的升高,钛及钛合金吸收O、N、H 的能力也随之明显上升。Ti从250℃开始吸收氢,从400℃开始吸收氧,从600℃开始吸收氮。氮和氧对接头强度和弯曲塑性影响较大,随着焊缝中氮氧含量的增加,接头强度升高,弯曲塑性降低,氮的影响大于氧。氢主要影响接头的冲击韧性。

3.2 焊接区裂纹倾向
  (1)热裂纹。
  由于钛及钛合金中含S、P、C 等杂质较少,很少有低熔点共晶在晶界处生成,而且结晶温度区间很窄,焊缝凝固时收缩量小,因此热裂纹敏感性低。
  (2)冷裂纹和延迟裂纹。
  当焊缝含氧、氮量较高时,焊缝性能变脆,在较大的焊接应力作用下,会出现裂纹,这种裂纹是在较低温度下形成的。
  在焊接钛合金时,热影响区有时也会出现延迟裂纹,钛谷有色金属交易中心氢是引起延迟裂纹形成的主要原因。防止延迟裂纹的办法,主要是减少焊接接头处氢的来源,必要时可进行真空退火处理,以减少焊接接头的氢含量。

3.3 焊缝气孔
     气孔是钛及钛合金焊接中较为常见的缺陷,O2、N2、H2、CO2、H2O都可能引起气孔。钛及钛合金焊缝气孔大多分布在熔合区附近,这是钛及钛合金气孔的一个特点。 焊缝中的气孔不仅造成应力集中,而且使气孔周围金属的塑性降低,甚至导致整个焊接接头的断裂破坏,因此须严格控制气孔的生成]。


 
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