異構(gòu)結(jié)構(gòu)納米金剛石/鈦基復(fù)合材料的微觀組織與力學(xué)性能

葉燦，張法明

異構(gòu)結(jié)構(gòu)納米金剛石/鈦基復(fù)合材料的微觀組織與力學(xué)性能

葉燦，張法明

（東南大學(xué) 江蘇省先進(jìn)金屬材料與高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211189）

探究不同粗細(xì)晶比例的異構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)納米金剛石/鈦基復(fù)合材料的物相組成、組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。首先利用低能與高能球磨機(jī)進(jìn)行粉末混合，接著利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行制備，最后采用金相顯微鏡、XRD、SEM、TEM、顯微硬度計(jì)、材料力學(xué)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合材料的形貌、成分及力學(xué)性能進(jìn)行分析。復(fù)合材料中有納米TiC相形成，微觀組織中形成了細(xì)/粗晶的異構(gòu)結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)相的成分濃度梯度分布；隨著細(xì)晶比例的逐漸增加，硬度和強(qiáng)度都逐漸增強(qiáng)，硬度最高可達(dá)382HV，拉伸屈服強(qiáng)度最高可達(dá)1017 MPa，塑性為17.8%。添加的增強(qiáng)相納米金剛石和異構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使復(fù)合材料的硬度、強(qiáng)度得到了顯著提高，而塑性損失很小。異構(gòu)結(jié)構(gòu)的鈦基復(fù)合材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性的組合。強(qiáng)韌化機(jī)理為可控非均勻分布的納米金剛石和TiC增強(qiáng)相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙和釘扎機(jī)制。

異構(gòu)結(jié)構(gòu)；機(jī)械球磨；放電等離子燒結(jié)技術(shù)；鈦基復(fù)合材料

鈦合金具有高強(qiáng)度、低密度、耐熱、耐蝕、抗彈性和成形加工性良好的特性[1—3]，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、生物醫(yī)學(xué)等工程領(lǐng)域[4]。研究最深入、應(yīng)用最廣泛的是Ti-6Al-4V合金[4—5]，即TC4合金，其屬于+型鈦合金[4]，具有良好的耐蝕性和優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，可在300～350 ℃高溫下使用，已經(jīng)被應(yīng)用于高強(qiáng)度航天飛行器的壓力容器、倉(cāng)體、緊固件、結(jié)構(gòu)件等方面，同時(shí)也大量用于其他各工業(yè)行業(yè)中，目前占鈦合金總產(chǎn)量的一半以上。TC4鈦合金存在耐磨性差、硬度低、室溫與高溫強(qiáng)度也有待于進(jìn)一步提高等主要問題，制備鈦合金基復(fù)合材料是解決此問題的一個(gè)非常有效的途徑[6]，尤其是非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料既能保持鈦合金的優(yōu)良特性，又具有比鈦合金更高的比強(qiáng)度和比模量，更高的耐磨性能和服役溫度[7]，其中增強(qiáng)相呈可控網(wǎng)絡(luò)狀分布，可以解決粉末冶金法制備的非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料室溫脆性大的問題，既能提高硬度強(qiáng)度，又使塑性降低不多，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)符合H-S理論上限結(jié)構(gòu)的硬相包圍軟相結(jié)構(gòu)[8]，可以顯著提高材料的力學(xué)性能。

文中還引入異構(gòu)結(jié)構(gòu)的思路方法。金屬材料的強(qiáng)度和塑性與其內(nèi)部晶粒尺寸的大小有很大關(guān)系，傳統(tǒng)的粗晶具有很高的塑性，但當(dāng)晶粒尺寸減小到納米尺寸時(shí)，強(qiáng)度顯著提高而塑性卻幾乎完全喪失。Wu等[9]通過非對(duì)稱軋制和部分再結(jié)晶在純鈦中產(chǎn)生了非均勻的異構(gòu)片層結(jié)構(gòu)，也就是軟的微細(xì)晶層嵌在堅(jiān)硬的超細(xì)晶中，使其具有較高強(qiáng)度的同時(shí)又具有較高的塑性。此外，Yang等[10]報(bào)道了異構(gòu)結(jié)構(gòu)的CrCoNi中熵合金，其具有納米、亞微米到微米級(jí)別的三級(jí)晶粒尺寸的異構(gòu)結(jié)構(gòu)。該研究說明了異構(gòu)結(jié)構(gòu)在調(diào)控金屬材料強(qiáng)度和塑性矛盾中的可行性和普遍適用性。異構(gòu)結(jié)構(gòu)包括晶粒尺寸多級(jí)結(jié)構(gòu)、微觀成分梯度結(jié)構(gòu)和非均勻分布的結(jié)構(gòu)等形式。異構(gòu)結(jié)構(gòu)使相鄰區(qū)域間具有顯著的力學(xué)響應(yīng)（包括強(qiáng)度、塑性、加工硬化等）差異，因而在變形時(shí)，相鄰區(qū)域間的界面處會(huì)形成應(yīng)變梯度和背應(yīng)力導(dǎo)致的加工硬化，彌補(bǔ)位錯(cuò)強(qiáng)化的不足，從而獲得金屬材料強(qiáng)度與塑韌性的良好協(xié)調(diào)。

金剛石是目前自然界硬度最高的物質(zhì)，理化性質(zhì)優(yōu)異，除最高硬度外，還具有最高熱導(dǎo)率，最高傳聲速度，能耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿、耐輻射。納米金剛石（ND）除了具有一般金剛石固有的優(yōu)良的理化性質(zhì)，還具有納米材料所具有的一些特性，如小尺寸效應(yīng)、大的比表面積[11]、高的表面活性[12—13]等。

文中通過機(jī)械球磨將炮轟法[14]制成的ND粉可控地分布在不同尺寸球形的TC4粉末顆粒中，然后再采用放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)快速燒結(jié)成形，制成具有異構(gòu)結(jié)構(gòu)的鈦基復(fù)合材料，最后系統(tǒng)研究不同粗細(xì)晶比例對(duì)鈦基復(fù)合材料的物相、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用的球形TC4粉由江蘇威拉里新材料科技有限公司提供，規(guī)格為45～105 μm；納米金剛石粉由天津乾宇超硬科技股份有限公司提供，其平均粒徑為5 nm，純度為98%，屬于超分散型（ND-Ⅲ）。

1.2 方法與步驟

實(shí)驗(yàn)流程見圖1，主要分為3部分：①采用高能球磨（400 r/min，10 h，球料比為10︰1）研磨細(xì)化TC4的晶粒，得到細(xì)晶粒的ND/TC4混合粉末，其中NDs在細(xì)TC4粉中添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定為5.0%；②低能球磨混合包覆，將第一步研磨得到的5.0%NDs/TC4（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）細(xì)粉作為整體，添加到粗顆粒的TC4粉末中，按照粗細(xì)粉質(zhì)量比為9︰1，8︰2，7︰3，6︰4，5︰5進(jìn)行低能球磨混合（200 r/min，5 h，球料比為5︰1）；③放電等離子體燒結(jié)成形，采用德國(guó)FCT-HP-D5設(shè)備，真空燒結(jié)溫度為1050 ℃，壓力為50 MPa，保溫時(shí)間為5 min。

圖1 制備流程示意

1.3 組織結(jié)構(gòu)與性能表征

利用阿基米德法在室溫下測(cè)量樣品的相對(duì)密度。利用德國(guó)Bruker公司的X射線衍射儀（D8-Discover）分析所制備樣品的物相組成；利用FEI公司的Sirion場(chǎng)發(fā)射掃描式電子顯微鏡（SEM）及能譜儀（EDS）對(duì)樣品形貌及成分進(jìn)行分析；利用FEI公司的透射電子顯微鏡（TEM）觀察與分析樣品的微觀結(jié)構(gòu)，包括形貌、相結(jié)構(gòu)、電子衍射等；使用FUTURE-TECH 公司生產(chǎn)的FM-700顯微硬度機(jī)測(cè)定樣品的硬度，載荷為300 g，保壓時(shí)間為10 s，每個(gè)樣品打15個(gè)點(diǎn)，去掉異常值后取平均值；使用新三思公司的CMT5105型號(hào)的微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，CMT4503型號(hào)的微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，橫梁移動(dòng)速率均為0.5 mm/min，前者量程最高為100 kN，后者最高為50 kN。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末的形貌與成分

圖2為原材料粉末的形貌和成分分析結(jié)果。圖2a為細(xì)球形TC4原始粉末，粉末球形度較好，尺寸大部分為10～50 μm，有少許衛(wèi)星球附著在大球表面，這與球形TC4的制備工藝——?dú)忪F化法有關(guān)；圖2b為粗球形TC4粉末，其尺寸主要為45～105 μm，其他現(xiàn)象與圖2a一致。圖2c為納米金剛石的TEM圖和電子衍射圖，可以發(fā)現(xiàn)納米金剛石的顆粒尺寸較為均勻，其平均尺寸約為5 nm。圖2d為球形TC4粉末的XRD圖譜，發(fā)現(xiàn)原始粉末中主要以-Ti為主，說明原料符合要求，沒有氧化或雜質(zhì)相。TC4原料中Al和V已經(jīng)固溶進(jìn)-Ti中，XRD無(wú)法檢測(cè)出來。

圖3a為高能球磨后的TC4粉末和NDs混合細(xì)化狀態(tài)下的掃描結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)原先球形狀態(tài)的TC4粉末部分已變成不規(guī)則狀，其較短邊的距離在5～15 μm左右，其余TC4粉末都有些許塑性變形。說明高能球磨還是對(duì)粉末的形貌有一定的改變，對(duì)尺寸有一定的細(xì)化作用。此外，發(fā)現(xiàn)許多TC4粉末上附著了ND粉末，說明ND與細(xì)的球形TC4上的混合還是較好的。圖3b為低能球磨后，粗球形TC4粉末與圖3a中的細(xì)粉末混合后的掃描照片，發(fā)現(xiàn)粗的球形TC4粉末形貌幾乎保持完好，說明低能球磨并沒有改變粗的TC4粉末的形狀，其尺寸也大致與原始粉末接近。圖3c為低能球磨后粗的球形TC4的表面形貌局部放大照片，可以發(fā)現(xiàn)上面分布有許多的細(xì)小顆粒，對(duì)其進(jìn)行能譜分析，如圖3d所示，發(fā)現(xiàn)C的原子數(shù)分?jǐn)?shù)高達(dá)53.6%，說明其就是添加的ND顆粒，旁邊更大的白色顆粒是ND的團(tuán)聚體，C的原子數(shù)分?jǐn)?shù)更高，高達(dá)64.6%。

2.2 復(fù)合材料的物相分析和微觀結(jié)構(gòu)

從圖4燒結(jié)后復(fù)合材料的XRD結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料由Ti和TiC兩種物質(zhì)組成，TiC峰微弱而寬化。說明在放電等離子燒結(jié)過程中，納米金剛石與TC4合金里面的鈦發(fā)生了原位自生反應(yīng)，形成了納米碳化鈦顆粒。由于放電等離子燒結(jié)反應(yīng)過程很快，還有殘余的納米金剛石被保留下來，前期研究結(jié)果已經(jīng)證明[15]。由于納米金剛石的添加量很少，且其中大部分又參與了反應(yīng)，所以納米金剛石在此很難被檢測(cè)出來。此外，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粗細(xì)晶比例為9︰1，8︰2，7︰3時(shí)，沒有明顯的碳化鈦衍射峰出現(xiàn)，這是因?yàn)榇藭r(shí)ND的比例更低，更難被XRD檢測(cè)出來。隨著細(xì)晶比例的繼續(xù)增加，碳化鈦的衍射峰開始出現(xiàn)，其強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，峰下方面積也在增加。說明隨著細(xì)晶比例的增加（6∶4，5∶5），增強(qiáng)相ND含量增多，TiC顆粒生成得也就越多。

圖2 原始粉末形貌和物相分析

圖3 球磨后TC4和ND粉末混合狀態(tài)下的形貌和EDS能譜結(jié)果

圖4 放電等離子燒結(jié)后復(fù)合材料的X射線衍射

圖5為粗細(xì)晶比例為5∶5的復(fù)合材料的金相和掃描結(jié)果，其中圖5a—b為粗細(xì)晶比例為5∶5的復(fù)合材料的金相結(jié)果，其拍攝倍數(shù)分別為200和500倍?？梢园l(fā)現(xiàn)有尺寸較大的顆粒，如標(biāo)示的粗晶和粗晶區(qū)，其形狀較為規(guī)則，接近圓形或者近圓形，與原始粉末形狀相似，這是因?yàn)榈湍芮蚰マD(zhuǎn)速較低，為200 r/min，時(shí)間也較短，為5 h，碰撞較為輕微，較好地保留了原始形狀。此外，粗晶被許多黑色顆粒附著的細(xì)晶所包圍，從而形成引言中所述的粗細(xì)晶的異構(gòu)結(jié)構(gòu)。圖5c—d為該復(fù)合材料的掃描結(jié)果，同樣可以發(fā)現(xiàn)上述異構(gòu)結(jié)構(gòu)。對(duì)圖5d中藍(lán)色與紅色區(qū)域分別進(jìn)行EDS面掃描成分分析，結(jié)果如圖5e—f所示，可以發(fā)現(xiàn)C的原子數(shù)分?jǐn)?shù)從45.49%到23.35%呈現(xiàn)成分的濃度梯度變化。圖5g為高倍數(shù)的SEM形貌，顯示出清晰的白色顆粒，并對(duì)其進(jìn)行了EDS點(diǎn)掃描分析，區(qū)域1所作的能譜結(jié)果如圖5h所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，區(qū)域1含有39.23%（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）的C含量，而2區(qū)域的基體區(qū)域C的原子數(shù)分?jǐn)?shù)只有10.94%。由此斷定，該白色物質(zhì)為原位自生的TiC和殘余的ND顆粒，且分布在細(xì)晶粒周圍，形成類似于圍墻的“晶界”，阻礙晶粒的進(jìn)一步長(zhǎng)大。再加上與周圍粗晶粒形成的細(xì)/粗晶的異構(gòu)結(jié)構(gòu)，從而造成了富增強(qiáng)相區(qū)/貧增強(qiáng)相區(qū)的成分濃度梯度，可有效改善TC4合金的性能。

圖5 粗細(xì)晶比例為5︰5的鈦基復(fù)合材料的金相和掃描形貌及EDS結(jié)果

2.3 復(fù)合材料的力學(xué)性能

2.3.1 硬度

圖6為不同粗細(xì)晶比例的鈦基復(fù)合材料平均顯微硬度曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著細(xì)晶比例的增加，復(fù)合材料的硬度呈逐漸增加的趨勢(shì)，9∶1比例的樣品硬度值最低，約為344HV；最高硬度值出現(xiàn)在粗細(xì)晶比例為5∶5的樣品，約為382HV。若純TC4樣品硬度以330 HV計(jì)算，5∶5比例的樣品硬度提高了將近15.76%。這是TiC和納米金剛石協(xié)同增強(qiáng)的效果，也是異構(gòu)結(jié)構(gòu)的效果。

圖6 不同粗細(xì)晶比例的鈦基復(fù)合材料的平均顯微硬度

2.3.2 壓縮與拉伸性能

圖7為不同粗細(xì)晶比例的鈦基復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出隨著粗細(xì)晶比例的逐漸減少，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度整體呈上升趨勢(shì)，而壓縮應(yīng)變整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)粗細(xì)晶比例≥8∶2時(shí)，復(fù)合材料的塑性較好，分別達(dá)到了35.5%和34.8%；當(dāng)粗細(xì)晶比例≤7∶3時(shí)塑性下降較多，最低為6∶4比例的32.2%。相較于9∶1比例的樣品下降了大約9.30%。此范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度值也有比較大幅的提升，最高可達(dá)1225 MPa。相較于9∶1比例的樣品，屈服強(qiáng)度提升了8.70%。作為對(duì)比，無(wú)異構(gòu)結(jié)構(gòu)的純NDs增強(qiáng)TC基復(fù)合材料，通過高能球磨彌散均勻分布NDs，然后相同燒結(jié)條件下SPS成形，雖然強(qiáng)度提高很大，但塑性急劇下降，材料還在彈性階段的時(shí)候就已發(fā)生斷裂。表明異構(gòu)結(jié)構(gòu)的鈦基復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度有了一定程度的提高，但是仍然保持很好的塑性。

注: 所有比例的樣品ND均占其與細(xì)晶TC4總質(zhì)量的5%

表1 不同粗細(xì)晶比例的復(fù)合材料的壓縮和拉伸性能

Tab.1 Compression and tensile properties of composites with different coarse/fine crystal ratios

圖8 不同粗細(xì)晶比例的鈦基復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8為不同粗細(xì)晶比例的復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其具體的強(qiáng)度、塑性數(shù)據(jù)如表1所示。從圖8可以看到，隨著粗細(xì)晶比例的逐漸減少，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度整體逐漸增強(qiáng)，而拉伸應(yīng)變逐漸降低。當(dāng)粗細(xì)晶比例≥8︰2時(shí)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度都較低；而其他比例的復(fù)合材料相較而言強(qiáng)度值都更高，最高分別為1017 MPa和1048 MPa，分別比最低值944 MPa和976 MPa增長(zhǎng)了7.73%和7.38%。與之形成對(duì)比的是，當(dāng)粗細(xì)晶比例≥8︰2時(shí)，塑性比較好，最高可達(dá)到24.1%；而當(dāng)粗細(xì)晶比例≤7︰3時(shí)，塑性有比較明顯的降低，最低為17.8%。實(shí)驗(yàn)中拉伸塑性的結(jié)果比一些鈦基復(fù)合材料的報(bào)道[1—2,6,16]要高，主要原因是SPS后得到的拉伸樣品尺寸小（標(biāo)距為6 mm，厚度為1.3 mm，寬度為2 mm），夾頭處隨著一起拉伸變形所致，但是所有的樣品用相同尺寸的標(biāo)樣結(jié)果具有相互可比性。復(fù)合材料的性能在一定程度上取決于粗細(xì)晶的比例，以及其中增強(qiáng)相的含量（ND占細(xì)晶總質(zhì)量的5%）。當(dāng)粗細(xì)晶的比例≥8︰2時(shí)，強(qiáng)度有所提高又能保持一定的塑性；當(dāng)粗細(xì)晶比例≤7︰3時(shí)，盡管強(qiáng)度有進(jìn)一步的提升，但塑性有更大程度的損失。增強(qiáng)相NDs和原位自生TiC顆粒均為納米顆粒，其強(qiáng)度都比較高，而且在復(fù)合材料中呈現(xiàn)具有一定濃度梯度的分布，達(dá)到了良好的強(qiáng)韌化效果。粗晶粒尺寸的基體TC4充分發(fā)揮其塑性較高的特點(diǎn)，再加上增強(qiáng)相并未完全聯(lián)結(jié)，不同基體顆粒還是有一定的貫穿，從而可以發(fā)生一定的協(xié)調(diào)變形，仍然可以保持較高的塑性[16]。此外，由于構(gòu)建的粗/細(xì)晶尺寸異構(gòu)結(jié)構(gòu)，粗晶被細(xì)晶所包圍，所以當(dāng)塑性更高的粗晶發(fā)生塑性變形時(shí)，被強(qiáng)度更高的細(xì)晶、TiC/納米金剛石顆粒所束縛，從而位錯(cuò)在晶粒內(nèi)部積累和塞積，直到發(fā)生整體變形時(shí)變形才得以進(jìn)行，從而進(jìn)一步提高了材料的強(qiáng)度。

2.4 不同粗細(xì)晶比例的鈦基復(fù)合材料的斷裂特征和強(qiáng)韌化機(jī)理

圖9為不同粗細(xì)晶比例的NDs/TC4復(fù)合材料的拉伸測(cè)試樣品的斷口掃描電子顯微形貌。圖9a為粗細(xì)晶比例為9︰1的NDs/TC4的拉伸斷口形貌，可以發(fā)現(xiàn)，斷口表面產(chǎn)生了大量的韌窩和撕裂脊，韌窩的輪廓清晰可見，輪廓深度和直徑都能清晰觀察到，韌窩直徑從1～2 μm到十多微米，大部分尺寸為5～ 10 μm。由此，該比例復(fù)合材料的斷裂方式主要為韌性斷裂。圖9b為粗細(xì)晶比例為7︰3的NDs/TC4復(fù)合材料的拉伸斷口形貌，同樣可以觀察到許多的韌窩和撕裂脊，只是與圖9a不同的是韌窩的尺寸發(fā)生了變化，其韌窩直徑主要為1～2 μm。通常，韌窩直徑越大塑性越好，反之越差。同時(shí)在圖9c中發(fā)現(xiàn)了斷口表面有部分細(xì)小的微裂紋和孔洞，表明了相比于9︰1比例的復(fù)合材料其塑性的降低。圖9d為局部放大的形貌，并對(duì)裂紋附近的顆粒進(jìn)行了EDS能譜點(diǎn)掃描分析，發(fā)現(xiàn)C元素的原子數(shù)分?jǐn)?shù)達(dá)到了86.56%，而Ti元素的原子數(shù)分?jǐn)?shù)只有11.94%，如圖9d中箭頭所示。由此判定該物質(zhì)為殘存的NDs團(tuán)聚顆粒，說明了添加的NDs顆粒并未完全與碳反應(yīng)生成TiC，而部分保留下來，與原位自生的TiC發(fā)生協(xié)同增強(qiáng)，共同提高材料的力學(xué)性能。圖9d為粗細(xì)晶比例為5︰5的NDs/TC4復(fù)合材料的拉伸斷口形貌，發(fā)現(xiàn)斷口表面有大量裂紋產(chǎn)生，其中最大的裂紋處于視野的中央，裂紋寬度最大可達(dá)10 μm左右，而且裂紋兩側(cè)有大量的細(xì)小顆粒，對(duì)部分顆粒進(jìn)行高倍放大，其高倍放大結(jié)果如圖9f所示，發(fā)現(xiàn)細(xì)小顆粒為原位自生的TiC，其尺寸大致在1～2 μm?？傊?，從斷裂形貌上觀察，復(fù)合材料呈現(xiàn)了塑性下降的特征，觀察到了NDs與TiC顆粒的存在，其對(duì)裂紋擴(kuò)展起到了阻礙作用，消耗了斷裂的能量，起到了強(qiáng)化的作用。

圖9 不同粗細(xì)晶比例的鈦基復(fù)合材料的拉伸斷口形貌

圖10為不同粗細(xì)晶比例的鈦基復(fù)合材料的透射電鏡形貌。圖10a為粗細(xì)晶比例為5︰5的ND/TC4復(fù)合材料，可以發(fā)現(xiàn)微觀組織中存在著大量的位錯(cuò)，基體上的小顆粒為ND/TiC增強(qiáng)相，增強(qiáng)相的分布不均勻，位錯(cuò)的分布密度也不均勻，增強(qiáng)相分布多的位置有大量的位錯(cuò)纏結(jié)于此，如圓圈中所示。當(dāng)發(fā)生塑性變形時(shí)，晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)向晶界處運(yùn)動(dòng)，ND/TC增強(qiáng)相對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起到阻礙釘扎作用，導(dǎo)致位錯(cuò)無(wú)法繼續(xù)移動(dòng)，發(fā)生位錯(cuò)的交錯(cuò)纏結(jié)。正是這些位錯(cuò)與增強(qiáng)相的交互作用，使5︰5比例復(fù)合材料的強(qiáng)度顯著增強(qiáng)而塑性降低。文中采用的異構(gòu)結(jié)構(gòu)造成了增強(qiáng)相的可控非均勻分布，所以位錯(cuò)只是局部塞積，使復(fù)合材料的塑性沒有大幅下降。圖10b為粗細(xì)晶比例為9︰1的ND/TC4復(fù)合材料的透射結(jié)果，組織基體上增強(qiáng)相較少，位錯(cuò)數(shù)量也較少，但仍然可以觀察到位錯(cuò)與增強(qiáng)相顆粒的阻礙和纏結(jié)現(xiàn)象。與圖10a中樣品相比，位錯(cuò)能較容易地發(fā)生滑移和攀移運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致該比例樣品表現(xiàn)出了更佳的塑性，但增強(qiáng)效果低于前者，因此主要的強(qiáng)韌化機(jī)理為可控非均勻分布的ND/TC增強(qiáng)相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙和釘扎機(jī)制。

圖10 不同粗細(xì)晶比例的鈦基復(fù)合材料的透射結(jié)果

3 結(jié)論

1）通過高能球磨和低能球磨工藝實(shí)現(xiàn)了納米金剛石在TC4中的可控分布，然后通過放電等離子燒結(jié)技術(shù)，燒結(jié)成具有細(xì)/粗晶雙晶粒結(jié)構(gòu)的異構(gòu)結(jié)構(gòu)的鈦基復(fù)合材料。由于SPS快速高效的特點(diǎn)，在燒結(jié)過程中，TC4和納米金剛石快速反應(yīng)，形成原位自生的TiC顆粒，同時(shí)保留部分的納米金剛石，微觀組織中形成了細(xì)/粗晶的異構(gòu)結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)相的成分濃度梯度分布。

2）隨著粗細(xì)晶比例的逐漸減少和納米金剛石的加入，復(fù)合材料的硬度提高，最高達(dá)到382HV。壓縮強(qiáng)度最高達(dá)到1225 MPa，而壓縮應(yīng)變最低為32.2%；拉伸屈服強(qiáng)度最高達(dá)到1017 MPa，而拉伸應(yīng)變最低也有17.8%，在提高強(qiáng)度的同時(shí)，保留了較高的塑性。異構(gòu)結(jié)構(gòu)的鈦基復(fù)合材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性的組合。強(qiáng)韌化機(jī)理為可控非均勻分布的ND/TC增強(qiáng)相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙和釘扎機(jī)制。

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Microstructure and Mechanical Properties of Nanodiamond/Titanium Matrix Composites with Heterogeneous Structure

YE Can, ZHANG Fa-ming

(Jiangsu Key Laboratory for Advanced Metallic Material, Southeast University, Nanjing 211189, China)

The paper investigates the effect of heterogeneous structure with different ratio of coarse to fine crystal on phase composition, microstructure and mechanical properties of nanodiamonds reinforced titanium matrix composites. Methods are shown below: First, the powder was mixed by low and high energy ball milling, and then the composites were prepared by spark plasma sintering technique. Finally, the morphology, composition and mechanical properties of the composites were analyzed by optical microscopy, XRD, SEM, TEM, microhardness tester and electronic universal mechanical testing machine. Experimental results show that nano-TiC phase is formed in the composite material, fine/coarse heterogeneous structure and the composition concentration gradient distribution of the reinforcing phase are formed in the microstructure. With the gradual increase of the proportion of fine grains, the hardness and strength are gradually enhanced, the hardness is up to 382HV, and the tensile yield strength is up to 1017 MPa with ductility of 17.8%. The addition of ND and heterogeneous structure makes the strength and hardness of the composites significantly improved, while the ductility loss is small. Titanium matrix composites with heterogeneous structure have excellent combination of strength and ductility. The strengthening and toughening mechanism is the hinder and pinning effect of dislocation movement by controllable non-uniform distribution of nanodiamonds and TiC reinforcements.

heterogeneous structure; ball milling; spark plasma sintering; titanium matrix composites

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.03.006

TB333

A

1674-6457(2021)03-0062-08

2021-03-22

國(guó)家自然科學(xué)基金-航天先進(jìn)制造聯(lián)合基金（U1737103）

葉燦（1992—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)殁伜辖?、鈦基?fù)合材料。

張法明（1978—），男，博士，副教授，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)榻饘倩鶑?fù)合材料和微納米多孔金屬。