黎 淼， 王虎虎， 艾桃桃， 劉 潔， 馮小明， 趙 堃

(陜西理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)、大型飛機(jī)、高端(軍工)裝備等關(guān)鍵制造核心技術(shù)是一個國家科技創(chuàng)新實(shí)力和綜合競爭力的重要標(biāo)志，提高關(guān)鍵核心部件的服役溫度及使用壽命顯得尤為重要[1-3]。因此，開展輕質(zhì)、高強(qiáng)韌金屬結(jié)構(gòu)材料的研究，已成為航天航空領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，且迫在眉睫。TiAl金屬間化合物作為一類典型的金屬間化合物，具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)，例如低的密度、高的比模量和比強(qiáng)度等，可作為航空航天領(lǐng)域耐高溫部件和超音速飛行器的殼、翼等使用[4-9]。但是，TiAl基合金也存在脆性大、高溫氧化抗力不足等實(shí)際問題，影響了它的開發(fā)使用。

盧柯院士研究團(tuán)隊[10]在構(gòu)型化設(shè)計方面取得了重要成果，為構(gòu)型化設(shè)計提供了重要思想源泉。復(fù)合強(qiáng)韌化手段通過引入適當(dāng)?shù)牡诙嘣鰪?qiáng)體，并調(diào)控組元相的分布特征，可獲得意想不到的效果，實(shí)現(xiàn)特定的構(gòu)型和性能需求，為金屬結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)型化設(shè)計提供了新的研究思路。

MAX增強(qiáng)相作為最具代表性的一類三元層狀化合物，成為TiAl基合金理想的增強(qiáng)相，大大改善了TiAl合金的力學(xué)性能[11]。Lapin等[12]深入揭示了原位Ti2AlC-Ti3AlC/TiAl基復(fù)合材料斷裂機(jī)理。Maryam等[13]研究發(fā)現(xiàn)TiAl-Ti3AlC2復(fù)合材料的性能高于TiAl基合金和多數(shù)陶瓷基復(fù)合材料。

仿生疊層結(jié)構(gòu)因特殊的構(gòu)型特征及可調(diào)控的層結(jié)構(gòu)參量，可以顯著提高疊層構(gòu)型復(fù)合材料的綜合性能，從而改善強(qiáng)韌性之間相互倒置的矛盾關(guān)系[14-15]?？追矟萚16]發(fā)現(xiàn)了高強(qiáng)高韌Ti6Al4V-TiAl疊層復(fù)合板材的多種斷裂行為特征，對復(fù)合板材性能的提高具有重要意義。果春煥等[17]研究發(fā)現(xiàn)Ti-(SiCf/Al3Ti)疊層復(fù)合板材的SiC纖維相以及疊層結(jié)構(gòu)協(xié)同作用效果明顯。

鑒于此，本文采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備疊層結(jié)構(gòu)TiAl基復(fù)合板材，通過Ti-Al-TiC體系反應(yīng)形成復(fù)合層，引入通孔TC4構(gòu)型鈦合金箔(Ti6Al4V)作為增韌層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)仿生疊層構(gòu)型設(shè)計與制備，研究其組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

以Ti粉(純度≥99.5%，平均粒度<35 μm)、Al粉(純度≥99.5%，平均粒度<55 μm)、TiC粉(純度≥99.5%，平均粒度<20 μm)作為原材料，厚度為0.3 mm的TC4鈦合金箔(Ti6Al4V)為增韌層，增韌層為5層，圖1所示為通孔構(gòu)型和疊層結(jié)構(gòu)示意圖。

(a)通孔TC4鈦合金箔結(jié)構(gòu) (b)疊層結(jié)構(gòu)模型 圖1 疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用反應(yīng)式：(1+n)Ti+(1+n)Al+TiC=nTiAl+Ti2AlC，計算生成0%、5%、10%、20% Ti2AlC時Ti、Al、TiC三種粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表1所示為計算配方。

表1 疊層結(jié)構(gòu)復(fù)合板材的配方

按照設(shè)計的配方(表1)稱量粉末，裝入球磨罐后進(jìn)行球磨混合，磨球、粉末質(zhì)量比為4∶3，球磨時間為260 min，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為150 r/min，混合均勻后過篩備用。圖1(a)所示為通孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，將打磨后的TC4鈦合金箔用鉆床進(jìn)行鉆孔，鉆頭直徑為2 mm，孔間距為10 mm，采用配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為15% HF、15% HNO3、70% H2O的腐蝕液對加工后的TC4鈦合金箔腐蝕2～3 s，然后清水沖洗和干燥處理。接著將處理后的通孔TC4鈦合金箔與一定量的混合粉末按圖1(b)所示交替疊加裝入石墨模具，然后用放電等離子燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程分為兩個階段：900 ℃前和900 ℃后，加熱速率分別控制在50 ℃/min和200 ℃/min，最高燒結(jié)溫度設(shè)置為1150 ℃，保溫時間為10 min，施加壓力為17.5 MPa。

采用X射線衍射儀(XRD，D/max-2200PC，日本)檢測相組成。通過掃描電鏡(SEM，F(xiàn)EI Quanta 650F，美國)觀察微觀結(jié)構(gòu)。同時借助掃描電鏡(JSM-6700F，日本電子)觀察裂紋的擴(kuò)展路徑，在觀察之前，先將樣品進(jìn)行拋光，再用體積分?jǐn)?shù)為5% HF和95% H2O配比的腐蝕液進(jìn)行腐蝕處理。借助電子背散射衍射(EBSD，F(xiàn)EI Quanta 650F+HKL Channel 5，美國)研究復(fù)合板材的微觀結(jié)構(gòu)、相分布和晶界等。

彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性采用三點(diǎn)彎曲法。彎曲強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)樣品長度為30 mm，寬度和厚度均為6 mm，跨距為20 mm，壓頭位移速度為0.75 mm/min。彎曲強(qiáng)度的計算公式為

(1)

其中σb為強(qiáng)度(MPa)，P為試樣破裂或失效時的最大載荷(N)，L為跨距(mm)，b為寬度(mm)，h為試樣厚度(mm)。

斷裂韌性實(shí)驗(yàn)樣品長×寬×高為30 mm×6 mm×6 mm，切口深度和跨距分別為2.5 mm和20 mm，壓頭位移速度為0.05 mm/min。斷裂韌性的計算公式為

(2)

(3)

其中K為斷裂韌性(MPa·m1/2)，P為載荷(N)，S為跨距(mm)，B為試樣厚度(mm)，a為切口深度(mm)，W為試樣寬度(mm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 相組成及微觀結(jié)構(gòu)分析

圖2 不同Ti2AlC理論生成量對應(yīng)TiAl基疊層復(fù)合板材的XRD圖

圖2為TiAl基疊層復(fù)合板材的XRD圖，可見，當(dāng)Ti2AlC理論生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時，主要產(chǎn)物為TiAl、Ti3Al相。隨著TiC含量的增加，燒結(jié)產(chǎn)物為Ti2AlC、TiC、TiAl、Ti3Al相。隨著TiC含量的繼續(xù)增加，Ti2AlC的生成含量逐漸增大。

圖3為Ti2AlC理論生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%對應(yīng)復(fù)合板材的EDS線掃描結(jié)果?？拷黅C4增韌層，界面區(qū)Ti元素含量逐漸增大，Al元素含量在減小，間接說明形成了Ti3Al界面層。

圖4為Ti2AlC理論生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%和10%對應(yīng)的復(fù)合板材復(fù)合層EBSD圖。如圖4(a)和(d)所示，復(fù)合層形成了γ-TiAl相(綠色區(qū)域)和α2-Ti3Al/Ti2AlC相(圖4(a)為藍(lán)色區(qū)域，(d)為紅色區(qū)域)，圖中黑色區(qū)域?yàn)榘枷輩^(qū)域及缺陷區(qū)域。圖4(b)和(e)分別為小角度和大角度晶界圖，大角度晶界較多，而小角度晶界較少，TiAl相以大角度晶界為主，而Ti2AlC相或α2-Ti3Al相多以小角度晶界為主。大角度晶界能夠使位錯在晶界處的塞積從而使強(qiáng)度增高，小角度晶界的界面能較低，界面比較穩(wěn)定。圖4(c)和(f)為組織特征圖，清晰可見TiAl晶粒尺寸大多數(shù)小于2 μm，Ti2AlC相或α2-Ti3Al相的晶粒相對較大，平均晶粒尺寸在5 μm左右。

圖3 10% Ti2AlC對應(yīng)的TiAl基疊層復(fù)合板材的EDS照片

圖4 0%和10% Ti2AlC對應(yīng)復(fù)合板材的復(fù)合層EBSD圖

圖5為Ti2AlC理論生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%和10%對應(yīng)的復(fù)合板材的EBSD圖。圖5(a)和(d)為Ti2AlC理論生成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為0%和10%對應(yīng)復(fù)合板材的的相分布圖，紅色和綠色區(qū)域分別代表α-Ti相和γ-TiAl相，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)TC4層有少量的藍(lán)色區(qū)域代表β-Ti相，由于α2-Ti3Al相、Ti2AlC相和α-Ti相結(jié)構(gòu)一致，由此可判定復(fù)合層由α2-Ti3Al/Ti2AlC相(紅色區(qū)域)和γ-TiAl相(綠色區(qū)域)組成，TC4層由α-Ti相(紅色區(qū)域)和β-Ti相(藍(lán)色區(qū)域)組成。如圖5(b)和(e)為小角度和大角度晶界分布圖，由圖可見，大角度晶界較多，小角度晶界較少，TiAl相以大角度晶界為主，而Ti2AlC相、α-Ti相或α2-Ti3Al相以小角度晶界為主，且大部分晶界角度小于15°。小角度晶界的界面能較低，因而界面比較穩(wěn)定。圖5(c)和(f)為組織特征圖，可以看出晶粒分布較為均勻，主要晶粒尺寸約為5～6 μm。

圖5 0%和10% Ti2AlC對應(yīng)的復(fù)合板材EBSD圖

圖6為不同Ti2AlC理論生成量對應(yīng)的TiAl基疊層復(fù)合板材的SEM照片。由圖可見，TC4增韌層和Ti2AlC復(fù)合層之間界面結(jié)合良好，無明顯缺陷。但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，復(fù)合層中存在明顯的孔洞缺陷，可能與燒結(jié)成型壓力有關(guān)。圖7為不同Ti2AlC理論生成量對應(yīng)的TiAl基疊層復(fù)合板材復(fù)合層的SEM照片，隨著TiC含量的增加，可觀察到Ti2AlC增強(qiáng)相呈網(wǎng)狀特征分布，且Ti2AlC增強(qiáng)相含量隨TiC摻雜量的增加而增大，但團(tuán)聚現(xiàn)象逐漸加劇。

圖6 TiAl基疊層復(fù)合板材的SEM照片

圖7 TiAl基疊層復(fù)合板材復(fù)合層的SEM照片

2.2 力學(xué)性能分析

復(fù)合板材復(fù)合層的維氏硬度測量結(jié)果如圖8所示。未生成Ti2AlC增強(qiáng)相的復(fù)合板材復(fù)合層的維氏硬度為385.3 HV。當(dāng)Ti2AlC增強(qiáng)相含量增大后，復(fù)合層的維氏硬度逐漸降低。說明過多的Ti2AlC生成量反而會影響疊層復(fù)合板材的硬度。

圖9為TiAl基疊層復(fù)合板材的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。由圖可見，當(dāng)Ti2AlC理論生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時，力學(xué)性能表現(xiàn)為各向異性特征，加載方向垂直和平行疊層方向，彎曲強(qiáng)度分別為706.15 MPa和507.44 MPa，斷裂韌性分別為23.15 MPa·m1/2和24.56 MPa·m1/2。當(dāng)Ti2AlC理論生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時，綜合性能較好，各受力方向彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性表現(xiàn)為近各向同性特征，加載方向垂直和平行疊層方向，彎曲強(qiáng)度分別為665.87 MPa和690.01 MPa，斷裂韌性分別為24.83 MPa·m1/2和25.76 MPa·m1/2，較未含Ti2AlC增強(qiáng)相的復(fù)合板材都有所提高。當(dāng)Ti2AlC含量繼續(xù)增大，彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性都有所降低。

彎曲強(qiáng)度測試后，復(fù)合板材的裂紋擴(kuò)展照片如圖10所示。如圖10(a)所示，裂紋穿過TC4通孔區(qū)域在復(fù)合層內(nèi)向前延展，并形成多條微觀裂紋向前擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展路徑較長，消耗更多的能量，當(dāng)擴(kuò)展至臨近增韌層，沿界面層擴(kuò)展，擴(kuò)展一定長度后停止擴(kuò)展。仔細(xì)觀察圖10(b)和(c)，可發(fā)現(xiàn)裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋大角度分叉等復(fù)雜的裂紋擴(kuò)展路徑，TC4鈦合金層均未發(fā)生斷裂，表明復(fù)合板材具有較好的綜合力學(xué)性能，但相較于圖10(c)，當(dāng)Ti2AlC理論生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時，裂紋擴(kuò)展路徑較長，二次裂紋更多，預(yù)示著更好的綜合力學(xué)性能，與圖9結(jié)果一致。從圖5的EBSD圖可以非常清晰地觀察到，當(dāng)Ti2AlC理論生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時，缺陷較多(黑色區(qū)域)，可能與成型過程及原位反應(yīng)過程有關(guān)，勢必會影響綜合力學(xué)性能，即Ti2AlC理論生成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10%對應(yīng)的樣品其力學(xué)性能低的原因。圖10(d)可觀察到TC4增韌層直接斷裂，未觀察到二次裂紋，而且由圖7可見Ti2AlC團(tuán)聚現(xiàn)象極為嚴(yán)重，勢必會影響綜合力學(xué)性能。

斷裂韌性測試后，復(fù)合板材的裂紋擴(kuò)展照片如圖11所示。由圖11(a)可見，裂紋在切口處產(chǎn)生，并形成多條延展裂紋，裂紋擴(kuò)展穿過TC4增韌層，繼續(xù)進(jìn)入相鄰的復(fù)合層，擴(kuò)展過程發(fā)現(xiàn)裂紋的擴(kuò)展寬度在逐漸變窄，說明擴(kuò)展的驅(qū)動力在逐漸減小，直至裂紋消失。圖11(b)切口底部同時形成多條擴(kuò)展微觀裂紋，偏轉(zhuǎn)角度非常大，裂紋擴(kuò)展呈現(xiàn)兩種現(xiàn)象：一種是沿著增韌層和復(fù)合層界面處擴(kuò)展，另一種是繼續(xù)向前擴(kuò)展進(jìn)入相鄰的復(fù)合層，擴(kuò)展過程發(fā)現(xiàn)裂紋的擴(kuò)展寬度逐漸變窄直至消失，擴(kuò)展的總路徑相對較長，預(yù)示著較好的斷裂韌性，說明疊層結(jié)構(gòu)具有較好的能量耗散效應(yīng)，同時受通孔結(jié)構(gòu)的幾何約束。圖11(c)裂紋擴(kuò)展路徑相對較短，而且大角度分叉現(xiàn)象消失，預(yù)示著低的斷裂韌性值。圖11(d)可觀察到切口底部產(chǎn)生不同的延展裂紋，并出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，TC4增韌層直接斷裂，裂紋穿過TC4增韌層后在復(fù)合層內(nèi)延展直至消失，表明其綜合力學(xué)性能較差。

3 結(jié)論

圖8 復(fù)合板材復(fù)合層維氏硬度

(a)垂直于疊層方向 (b)平行于疊層方向圖9 TiAl基疊層復(fù)合板材的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性

圖10 TiAl基疊層復(fù)合板材經(jīng)彎曲強(qiáng)度測試后裂紋擴(kuò)展照片

圖11 TiAl基疊層復(fù)合板材斷裂韌性測試后裂紋擴(kuò)展照片

本文開發(fā)了一種特殊通孔構(gòu)型的TC4-TiAl基疊層結(jié)構(gòu)復(fù)合板材，研究了其組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。主要結(jié)論如下：

(1)復(fù)合層由α2-Ti3Al+γ-TiAl基體相以及Ti2AlC+TiC增強(qiáng)相組成。復(fù)合層和強(qiáng)韌層之間生成了Ti3Al相界面產(chǎn)物。

(2)5% Ti2AlC理論生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的復(fù)合板材表現(xiàn)出最佳的綜合性能，加載方向垂直和平行疊層結(jié)構(gòu)方向，彎曲強(qiáng)度分別為665.87 MPa和690.01 MPa，斷裂韌性分別為24.83 MPa·m1/2和25.76 MPa·m1/2，實(shí)現(xiàn)了近各向同性。

(3)通孔結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)了層與層之間的有效連接，TC4鈦合金增韌層既可以吸收各層斷裂能，表現(xiàn)出能量耗散效能，還能夠影響裂紋的擴(kuò)展路徑，對斷裂韌性的改善具有重要作用。第二相Ti2AlC阻礙了裂紋擴(kuò)展，使裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動力不斷減小，裂紋擴(kuò)展受阻。