通过β TRIPLEX热处理实现钛基复合材料强度-塑性及耐热性的协同提升

《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Achieving synergistic improvement of strength-plasticity and heat resistance of titanium matrix composites through β TRIPLEX heat treatment

钛基复合材料通过β TRIPLEX热处理优化显微结构，协同提升室温强度、塑性和高温性能。EBSD和HRTEM分析表明，热处理过程中α lamellae粗化、硅化物均匀析出，并增强TiB与α基体的界面结合（从2.3%增至22.5%），从而提高材料性能。实验结果验证了该工艺在先进航空设备中的应用潜力。

　　

王浩|李少鹏|乐建文|普炳珍|赵晨璐|张雪|黄光发|韩远飞|卢伟杰

上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室，上海200240，中国

摘要

实现钛基复合材料的强度、塑性和耐热性的协同提升仍然是一个主要挑战。在本研究中，采用了一种β TRIPLEX热处理（β₃HT）工艺来调整(TiB + La₂O₃)/IMI834复合材料的基体微观结构，从而在室温和高温强度及塑性方面实现了协同改善。EBSD和HRTEM分析表明，第二阶段的α + β固溶处理细化了第一阶段β固溶过程中形成的针状结构中的初级α层片，而最终退火促进了硅化物的均匀析出。此外，β₃HT增强了TiB的α变体选择效应，促进了相干或半相干TiB/α界面的形成，其比例从2.3%增加到了22.5%。与未经处理的TMCs相比，处理后的复合材料在室温强度上保持相似（1222 ± 1 MPa vs. 1215 ± 4 MPa），但显示出更高的均匀延展性，均匀伸长率提高了91%（3.5% ± 0.5%至6.7% ± 0.2%）。高温强度提高了近15%，在600°C时达到860 ± 4 MPa，在650°C时达到757 ± 4 MPa，在700°C时达到625 ± 2 MPa。这种强度提升源于层状微观结构对位错的钉扎效应、硅化物析出强化以及TiB的载荷传递作用。

引言

钛基复合材料（TMCs）由于其优异的性能（包括低密度、高强度、高模量和耐热性）而在航空航天、石油化工和交通运输等领域成为首选材料[[1], [2], [3]]。TMCs的性能主要取决于增强相和基体合金的选择与调控，以及界面匹配。常见的增强相包括TiB、TiC、SiC和RE₂O₃ [4]。微米级TiB晶须与纳米级La₂O₃颗粒的混合添加已被证明可以提供更好的强度、塑性和耐热性平衡[5]。TiB晶须通过晶粒细化和载荷传递机制提高TMCs的强度和模量[6]，而La₂O₃颗粒通过分散强化提高强度和高温性能[7]。

此外，TMCs的机械性能高度依赖于微观结构的精细调控。热机械变形和热处理（HT）是钛合金和TMCs微观结构调控的最常用方法。锻造等工艺可以显著细化晶粒并消除铸造或烧结材料中的缺陷，从而大幅提高合金和复合材料的整体性能。相比之下，HT通过控制温度、保温时间和冷却速率等参数，能够更精确地调控微观结构，从而更有效地优化机械性能[8,9]。α或近α钛合金及其复合材料的常见HT工艺包括退火、固溶处理和时效（STA，包括β STA和α + β STA）。

通过α + β STA获得的双模态微观结构具有良好的塑性和疲劳性能，但蠕变抗力较差，高温性能也有限[[10], [11], [12]]。相比之下，通过β STA获得的层状微观结构具有优异的高温和蠕变性能以及良好的断裂韧性。然而，其在室温下的塑性较低，疲劳性能较差。因此，用于高温服役应用的钛合金及其复合材料通常采用层状微观结构。然而，传统的α + β STA和β STA都无法实现精细的微观结构调控，以满足先进航空航天设备的严格性能要求。

研究人员开发了创新的HT工艺来精细调控微观结构，以改善钛合金和TMCs的机械性能[[13], [14], [15], [16]]。Sui等人[17]采用循环热处理（CHT）工艺在Ti6242合金中诱导形成了大量等轴α相，从而使其伸长率翻倍。Qiu等人[18]对Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe合金进行了快速热处理（RHT），获得了由初级α相、次级α相和细小β晶粒组成的三模态微观结构，实现了良好的强度-延展性平衡。Luo等人[19]对TC4合金进行了深冷处理（DCT）和超声表面滚压的联合处理，使其疲劳寿命提高了61.9%。Zhang等人[20]利用电脉冲处理（EPT）有效提高了TC17/TC4的伸长率近50%，而强度没有下降。然而，这些热处理工艺过程复杂，缺乏工业实用性，且难以应用于大规模组件的制造。

TRIPLEX HT [21,22]包括在α + β或β相区域进行两次固溶处理，随后进行时效。通过调整每个阶段的温度和冷却速率，该工艺可以调控微观结构，以实现钛合金和TMCs在强度、延展性和高温强度方面的理想平衡。Wang等人[23]使用TRIPLEX HT在Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V合金中形成了均匀的层状微观结构和连续的晶界α相，从而实现了良好的强度-塑性匹配。Li等人[24]对TMCs进行了β TRIPLEX HT处理，并研究了β热处理第一阶段的冷却速率对微观结构和机械性能的影响。通过调整α层片的尺寸，TRIPLEX HT使TMCs的室温塑性相比传统β HT提高了两倍。Wu等人[25]对铸态(TiB + TiC)/Ti-6Al-4Sn-7Zr-1Nb-1Mo-1W-0.2Si进行了(α + β) TRIPLEX HT处理，通过调节初级和次级α相的层状结构并促进硅化物和Ti₃Al相的析出，显著提高了700℃下的高温强度。因此，TRIPLEX HT工艺通过精确的微观结构优化，特别是α层片的尺寸和形态以及硅化物和Ti₃Al相的尺寸和分布，改善了钛合金和TMCs的室温和高温机械性能。

然而，β TRIPLEX HT过程中微观结构的变化尚未得到充分研究，尤其是增强相对基体微观结构演变的影响以及不同阶段增强相与基体之间界面匹配的影响。

在本研究中，通过铸造和热锻制备了(TiB + La₂O₃)/IMI834复合材料。采用β TRIPLEX热处理（β₃HT）来调整基体微观结构，从而在室温强度和塑性以及高温强度方面实现了协同提升。此外，使用多种表征方法系统研究了β₃HT过程中的微观结构演变，特别关注了TiB晶须对基体微观结构的影响。还详细分析了强化和增韧机制。本研究通过将β₃HT与(TiB + La₂O₃)/IMI834复合材料结合，实现了三个关键进展：通过α层片粗化和硅化物析出打破了通常的强度-延展性权衡，增强了TiB诱导的α变体选择，使相干或半相干TiB/α界面的比例增加到22.5%，并改善了高温载荷传递。此外，β₃HT形成的层状基体为提高强度、延展性和高温性能提供了一条统一途径，使本研究区别于以往的TMCs研究。本研究旨在深入理解微观结构演变，并为高性能TMCs的微观结构调控提供一种有效的热处理工艺。

材料

选择IMI834合金作为基体合金，其名义组成为Ti-6.6Al-4.6Sn-4.6Zr-0.9Nb-1.0Mo-0.32Si（重量%）。原材料包括海绵钛（重量% ≥ 99.9%）、纯铝、海绵锆、Al-Mo、Al-Nb、Ti-Sn、Si和LaB₆粉末，通过真空电弧熔炼彻底混合并熔化。为了确保化学均匀性，铸锭经过了三次熔炼过程。详细的熔炼过程参数和材料组成见表S1。

微观结构

图2中的背散射电子（BSE）图像展示了β₃HT过程中不同阶段的TMCs微观特征，相应的元素分布见图S1。锻态基体呈现出等轴微观结构，主要由等轴α相和少量转化的β相组成（图2(a)）。TiB晶须沿锻造方向排列，呈现出短纤维形态。硅化物相对细小，主要分布在...

微观结构演变

为了更好地理解β₃HT过程中的微观结构演变，图9展示了这一过程的示意图。最初，在β相区域进行固溶处理，期间β晶粒开始生长。随后在β相区域保温后进行水淬处理，得到了热稳定性较差的细小针状α相。选择WQ处理是为了抑制β向α的过早转变，并保持亚稳态β相...

结论

在本研究中，通过熔化和锻造成功制备了(TiB + La₂O₃)/IMI834复合材料。然后应用β TRIPLEX热处理，实现了TMCs在强度、延展性和耐热性方面的协同提升。对热处理过程中的微观结构演变、TiB诱导的α变体选择行为以及强化和增韧机制进行了系统研究。主要结论如下：

(1)

针对TMCs的β₃HT工艺已经...

CRediT作者贡献声明

王浩：撰写——初稿、方法论、研究、数据分析、概念化。李少鹏：撰写——初稿。乐建文：撰写——审阅与编辑。普炳珍：撰写——审阅与编辑。赵晨璐：撰写——审阅与编辑、指导。张雪：撰写——审阅与编辑、研究。黄光发：撰写——审阅与编辑、研究。韩远飞：研究。卢伟杰：指导、资源管理、项目管理、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFE0110700）、国家自然科学基金（项目编号：52374369, 52401193, 52371138, 52301195, 52471160）、上海市自然科学基金（项目编号：24ZR1432600）以及中国国家核电集团主导的科研项目（项目编号：CNNC-LCKY-202233）的财政支持。