高超聲速飛行器在服役時,由于空氣壓縮與摩擦,使其表面溫度迅速升高。例如,X-15在以5馬赫的速度飛行時,其前緣表面溫度可以達到718℃;X-43在以6馬赫的速度巡航過程中,前緣、機身迎風(fēng)面等部位表面溫度甚至超過1000℃[1]。由此可知,高超聲速飛行器主承力部件材料的設(shè)計應(yīng)兼顧耐高溫和強大高溫性能的雙重需求[2-4]。然而,傳統(tǒng)鈦合金因高溫承載能力不足,熱力耦合場下抵抗變形能力差等原因,無法滿足其在高超聲速飛行器設(shè)計使用需求,尤其是在使用溫度超過600℃的嚴(yán)苛服役環(huán)境下[5]。Ti65是一種10組元近a型鈦合金,其設(shè)計使用溫度為600~650℃,具有良好的綜合性能,主要用于航空600~650℃高溫長時主承力部件以及航天650~750℃高溫短時結(jié)構(gòu)件[5]。通過SiC纖維增強Ti65合金,構(gòu)件性能大幅提升:在相同的試驗條件下,SiC/Ti65復(fù)合材料在室溫下沿纖維方向的抗拉強度比Ti65合金提升129%;SiC/Ti65復(fù)合材料在650℃下沿纖維方向的抗拉強度比Ti65合金提升264%[6]。此外,還具備耐腐蝕、耐磨損和高熱穩(wěn)定性,克服了鎳基高溫合金密度過大及陶瓷基復(fù)合材料脆性高的缺點[7-13]。由此可見,利用SiC/Ti65復(fù)合材料有望解決高超聲速飛行器在600~650℃使用溫度范圍內(nèi)材料高溫承載能力不足和抵抗變形能力差的問題。
在SiC/Ti65復(fù)合材料制備過程中,通常采用磁控濺射法制備先驅(qū)絲,再將先驅(qū)絲裝入Ti65包套,最后通過熱等靜壓(Hot isostatic pressing,HIP)致密成型[12]。而在熱等靜壓期間,溫度與壓力的動態(tài)變化會致使Ti65包套組織及性能發(fā)生改變。目前,Ti65合金熱處理已開展部分研究[14-15],就實際應(yīng)用于SiC/Ti65復(fù)合材料包套的Ti65合金而言,經(jīng)歷HIP以及利用熱處理(HT,Heat treatment)手段恢復(fù)其性能的方法尚未見報道。因此,本文旨在通過試驗分析熱處理與熱等靜壓工藝對Ti65合金的組織與性能的影響,并分析不同狀態(tài)試樣室高溫拉伸斷裂機制,以優(yōu)化SiC/Ti65復(fù)合材料制備工藝方案。
1、試驗材料與方法
本試驗采用的Ti65合金鍛件由某研究所制備,其相變點為1080℃,熱等靜壓工藝一般在960℃下進行5。其化學(xué)成分如表1所示,經(jīng)過6種不同工藝的處理后制成拉伸試樣,具體工藝如圖1所示。其中,HT階段采用空冷(Air cooling),HIP階段采用爐冷(Furnace cooling)。
表1 Ti65合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)
Table 1 Chemical composition of the Ti65 alloy(mass fraction,%)
| Al | Sn | Zr | Mo | Si | Nb | Ta | W | C | Ti |
| 5.80 | 4.00 | 3.50 | 0.50 | 0.45 | 0.30 | 1.00 | 1.00 | 0.05 | 余量 |

拉伸試驗在 Instron5582型電子萬能試驗機上進行,室溫測試根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》進行;高溫測試根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.2-2015《金屬材料拉伸試驗第2部分:高溫試驗方法》進行。將不同狀態(tài)的Ti65試樣切割、研磨、拋光、蝕刻以進行后續(xù)表征,蝕刻溶液為HF、HNO3、H2O的混合溶液,體積比為1:1:50;利用掃描電鏡(Sigma300)獲得試樣組織及斷口的顯微照片;采用C-nano EBSD分析探頭獲得試樣縱剖面的微觀結(jié)構(gòu)信息。
2、試驗結(jié)果及討論
2.1顯微組織
6種不同工藝處理的試樣顯微組織如圖2所示。圖2(a)為鍛態(tài),其組織為典型的雙態(tài)組織,由初生α相、片層α相和β相組成。圖2(b)HT態(tài)組織由β轉(zhuǎn)變組織、初生α相組成。圖2(c)HIP態(tài)的組織與初始態(tài)組織相似。圖2(d)為HT-HIP態(tài)的組織,由初生α相、β轉(zhuǎn)變組織組成;與HT態(tài)相比,由于后續(xù)又經(jīng)歷了HIP的過程,在960℃下,HT-HIP組織的β轉(zhuǎn)變組織中片層α相晶粒長大,導(dǎo)致片層明顯粗化,從HT態(tài)的0.44μm增加到HT-HIP態(tài)的0.78μm。圖2(e)HIP-HT的試樣組織由少量初生α相、大量β轉(zhuǎn)變組織組成;與HIP態(tài)相比,熱處理后片層α相變細,形成大量β轉(zhuǎn)變組織。圖2(f)中HT-HIP-HT試樣的組織由少量α相和大量β轉(zhuǎn)變組織組成;與HT-HIP試樣組織相比,熱處理后的試樣β轉(zhuǎn)變組織中的片層α相明顯細化。經(jīng)過熱處理的試樣,組織中都出現(xiàn)了大量的β轉(zhuǎn)變組織,這可能是影響性能的主要原因之一[16]。此外,6種組織中都存在球狀的硅化物,并彌散分布在組織中[17]。分別測量了6種組織的片層α相寬度并取平均值,如表2所示,可將6種狀態(tài)的組織分為兩類:第一類包括鍛態(tài)、HIP態(tài)和HT-HIP態(tài),這類組織中片層α相的寬度均大于1μm;第二類包括 HT態(tài)、HIP-HT態(tài)和 HT-HIP-HT態(tài),這類組織中的片層α相更細小,均不超過0.6μm,且等軸α相占比很少。綜合考慮工藝流程的簡潔性以及不同工藝得到的組織特征,后續(xù)重點分析HIP態(tài)及HIP-HT態(tài)試樣的組織與斷裂機制。

表2不同組織中片層α相的寬度
Table 2 The widths of lamellar a phases in different microstructure
| State | Width of lamellarα phase/μm | Standard deviation |
| Forged | 1.0688 | 0.276 |
| HT | 0.5122 | 0.188 |
| HIP | 2.4224 | 0.834 |
| HT-HIP | 1.7358 | 0.235 |
| HIP-HT | 0.4514 | 0.126 |
| HT-HIP-HT | 0.5768 | 0.033 |

如圖3所示分別為HIP態(tài)和HIP-HT態(tài)試樣的反極圖(Inversepole figure,IPF)和核平均錯配角(Kernel average misorientation,KAM)。其中,IPF除觀察晶粒取向外,本文主要用于觀察晶粒變化;KAM值的大小代表錯配角度的大小,圖中綠色部分越深,位錯越密集。從圖3(a)和3(b)中可以觀察到經(jīng)過HIP的試樣晶粒多呈等軸狀,且晶粒中錯配程度較高。而圖3(c)和3(d)中HIP-HT態(tài)的試樣由于經(jīng)過了熱處理,組織中出現(xiàn)了許多針狀析出相,且晶粒內(nèi)的錯配程度明顯降低。
2.2 室溫拉伸
室溫拉伸的試驗結(jié)果見表3。結(jié)果顯示,在上述熱處理制度下,HT和HIP都會使Ti65合金的抗拉強度有不同程度的提升,HIP處理后合金的屈服強度略微下降、伸長率降低及斷面收縮率增加。從HT-HIP、HT-HIP-HT和HIP、HIP-HT4種狀態(tài)試樣的檢測結(jié)果中可以看出,HT可以使HIP后的試樣強度稍有恢復(fù)。其中HIP-HT和HT-HIP-HT的處理對Ti65合金抗拉強度的提升最為明顯,塑性和韌性相差不大。
表3不同狀態(tài)下Ti65合金的室溫拉伸性能
Table 3 Tensile properties at room temperature of the Ti65 alloy in different states
| State | Rm/MPa | Rp0.2/MPa /MPa | A/% | Z/% |
| Forged | 1005 | 934 | 18.3 | 28.7 |
| HT | 1092 | 983 | 14 | 19 |
| HIP | 1023 | 903 | 11.3 | 33 |
| HT-HIP | 1035 | 889 | 11 | 30 |
| HIP-HT | 1172 | 1023 | 7.3 | 13 |
| HT-HIP-HT | 1160 | 1003 | 8.2 | 14.5 |
2.2.1斷口形貌
HIP態(tài)和HIP-HT態(tài)試樣的室溫拉伸的斷口如圖4所示。圖4(a)為HIP態(tài)試樣的斷口全貌,其中心位置有大量深韌窩,且由于HIP后合金的塑性明顯升高,斷口頸縮現(xiàn)象明顯,且斷口邊緣出現(xiàn)剪切唇。將HIP態(tài)的斷口形貌局部放大如圖4(b)和4(c)所示。圖4(b)為斷口的中心部分,可以觀察到分布大量韌窩,韌窩周圍還存在撕裂棱;圖4(c)為斷口的邊緣部分,該區(qū)域的韌窩較淺。說明裂紋起源于中心部分并向外擴展,最終導(dǎo)致斷裂。圖4(d)為HIP-HT態(tài)試樣的斷口全貌,其表面較為平整,有明顯準(zhǔn)解理斷裂的跡象。HIP-HT態(tài)的斷口形貌細節(jié)如圖4(e)和4(f)所示。斷口表面存在平坦的解理小平面及撕裂棱,是典型的解理斷裂特征,且撕裂棱上存在微孔,推測是解理斷裂沿著片層α相斷裂,硅化物掉落形成微孔。HIP試樣和HIP-HT試樣的斷口反映了兩者在拉伸性能上的區(qū)別,HIP試樣的韌性較HIP-HT更高,這與表3中所示的結(jié)果一致。

2.2.2室溫拉伸斷裂機制
對HIP拉伸試樣和HIP-HT拉伸試樣的縱剖面進行EBSD分析,如圖5所示。圖5(a)和5(b)分別為HIP拉伸試樣的縱剖面反極圖(Inverse pole figure,IPF)和核平均取向差(Kernel average misorientation,KAM),從圖3(a)和圖5(a)中的反極圖能夠清晰觀察到,斷口附近的晶粒發(fā)生了顯著變形,部分晶粒被明顯拉長甚至出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。這一現(xiàn)象表明,拉伸應(yīng)力引發(fā)了晶粒的塑性變形,那些無法承受形變的晶粒最終遭到破壞。此外,KAM圖顯示晶界處的錯配程度相對更高,這意味著塑性變形主要集中于這些區(qū)域。同時,晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了不連續(xù)的錯配值升高情況,這說明材料在拉伸載荷作用下,不僅發(fā)生了局部塑性變形,還出現(xiàn)了晶體滑移現(xiàn)象[18]。綜上所述,在室溫拉應(yīng)力的作用下,HIP態(tài)試樣內(nèi)部先發(fā)生塑性變形,隨后斷裂,斷裂形式為韌性斷裂。
圖5(c)、5(d)、5(e)和5(f)分別為HIP-HT拉伸試樣縱剖面斷口附近和裂紋附近的IPF和KAM圖。從圖5(c)和5(d)中可以看出,在HIP-HT態(tài)試樣中,針狀析出相周圍的錯配程度顯著高于其他部位。這一現(xiàn)象表明,析出晶粒對材料中位錯的運動起到了阻礙作用,而這正是HIP-HT態(tài)試樣抗拉強度得以提升的原因[19]。另外,從圖3(c)未拉伸前的IPF中可以發(fā)現(xiàn),在該試樣中沒有出現(xiàn)明顯被拉長的晶粒,這主要是因為試樣在經(jīng)歷HT處理后,其塑性有所下降。從圖5(e)和5(f)中可以發(fā)現(xiàn)HIP-HT態(tài)試樣在析出相較少的位置發(fā)生了穿晶斷裂,裂紋周圍錯配程度明顯高于其他地方,由此可以判斷是由于晶粒內(nèi)部滑移帶產(chǎn)生較大局部應(yīng)變,滑移帶之間不能很好地協(xié)調(diào)變形,導(dǎo)致應(yīng)力集中,最終誘發(fā)裂紋成核[20-21]。

2.3 650℃拉伸
6種狀態(tài)試樣650℃拉伸的試驗結(jié)果詳細數(shù)據(jù)見表4。從650℃下得到的拉伸結(jié)果發(fā)現(xiàn),熱處理工藝對 Ti65合金性能影響的規(guī)律類似,即HIP提升塑性,HT提升強度。但與室溫狀態(tài)不同的是,HIP-HT態(tài)的塑性要優(yōu)于HIP態(tài)。綜合考慮,同樣選擇HIP態(tài)和HIP-HT態(tài)的斷口進行進一步研究。
表4不同狀態(tài)下Ti65合金的650℃拉伸性能
Table 4 Tensile properties at 650℃ of the Ti65 alloy in different states
| State | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Z/% |
| Forged | 554 | 417 | 28 | 33 |
| HT | 630 | 496 | 29 | 56 |
| HIP | 543 | 452 | 23 | 38 |
| HT-HIP | 581 | 445 | 21 | 40 |
| HIP-HT | 651 | 552 | 27 | 67 |
| HT-HIP-HT | 677 | 564 | 25 | 67 |
2.3.1 斷口分析
HIP態(tài)和HIP-HT態(tài)在650℃下拉伸的斷口如圖6所示。圖6(a)為HIP態(tài)的斷口全貌,其表面起伏較大,中心部位有深韌窩。將該斷口中心和邊緣位置放大如圖6(b)和6(c)所示,可以發(fā)現(xiàn)兩位置的形貌特征相似,均存在大而深的韌窩,大韌窩周圍分布較小的韌窩,因此該試樣為韌性斷裂。圖6(d)為HIP-HT態(tài)的斷口全貌,該斷口頸縮與HIP態(tài)相比更為嚴(yán)重,且存在剪切唇。將該斷口中心和邊緣位置放大如圖6(e)和6(f)所示,與HIP態(tài)相比,HIP-HT態(tài)中心位置的韌窩更大,說明HIP-HT試樣的韌性要高于HIP態(tài)試樣,這也對應(yīng)了拉伸性能的檢測結(jié)果;邊緣位置為剪切唇,韌窩較淺且沿裂紋擴展方向分布;說明在拉伸過程中,試樣中心部分先發(fā)生失效,隨后向外擴展形成剪切唇,最終斷裂。

2.3.2高溫拉伸斷裂機制
圖7為650℃下HIP態(tài)和HIP-HT態(tài)試樣拉伸斷口附近的EBSD分析結(jié)果。在HIP態(tài)試樣的斷口附近,由圖7(a)和7(b)可見,HIP態(tài)試樣在高溫拉伸斷口處的KAM分布與室溫下的情況相差無幾。從7(c)能夠觀察到,微孔洞在相界處萌生,隨后沿著界面不斷擴展,進而致使周圍的α晶粒破碎。這是因為在拉伸過程中,初始的α晶粒來不及調(diào)整至有利取向。如圖7(d)所示,α晶粒周圍錯配值偏高,表明晶粒未能有效協(xié)調(diào)應(yīng)變,最終遭到破壞[22]。
HIP-HT態(tài)的斷口附近分布著大量細小晶粒,如圖7(e)所示。且在圖7(g)里,微孔周圍也聚集著眾多新生成的小晶粒,可以推測這些小晶粒對阻止裂紋的擴展起到了一定作用。通過對圖7(f)和7(h)的KAM圖分析發(fā)現(xiàn),小晶粒處的錯配值極小,這極有可能是因為在高溫拉伸過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象,而這也正是HIP-HT態(tài)在高溫下塑性更好的原因[23-25]。對比HIP態(tài)與HIP-HT態(tài)的KAM分布(圖7b和7f)可知,HIP-HT態(tài)的應(yīng)力分布更為均勻,應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯較少。這表明在該狀態(tài)下,晶粒的協(xié)同變形能力優(yōu)于HIP態(tài),進而使得HIP-HT態(tài)的塑性高于HIP態(tài)。

2.3.3 斷裂機制
由此可以總結(jié)出本次試驗中HIP態(tài)和HIP-HT態(tài)試樣的斷裂機制,如圖8所示。HIP態(tài)試樣在室溫和650℃下的斷裂機制相同:在拉伸初期產(chǎn)生位錯并發(fā)生塑性變形,當(dāng)晶粒之間不能很好地協(xié)調(diào)塑性變形時,位錯在晶界處堆積,并隨著位移的增加產(chǎn)生微孔洞,這些微孔洞連接起來形成裂紋。HIP-HT態(tài)試樣在室溫下的斷裂機制為:拉伸初期產(chǎn)生位錯,在來不及發(fā)生塑性變形時堆積在針狀析出相處,隨著載荷的增加,位錯堆積處產(chǎn)生微孔洞形成裂紋。HIP-HT態(tài)試樣在650℃下的斷裂機制為:在高溫和拉伸力的作用下,產(chǎn)生位錯的同時試樣內(nèi)部發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶,于是位錯在再結(jié)晶晶粒的作用下分布于晶粒周圍。隨著載荷的增加,當(dāng)這些晶粒不能再協(xié)調(diào)變形時,裂紋萌生。

3、結(jié)論
1)從6種狀態(tài)試樣的組織來看,鍛態(tài)和HIP態(tài)的組織相似,均為比較典型的雙態(tài)組織;其中HIP態(tài)由于在960℃保溫1h,導(dǎo)致晶粒尺寸較初始態(tài)更大;其余4種經(jīng)過HT的組織中都出現(xiàn)了大量的β轉(zhuǎn)變組織,其原因是HT能夠促進β轉(zhuǎn)變組織的產(chǎn)生,進而導(dǎo)致最終經(jīng)過HT處理的試樣拉伸性能較好;
2)室溫拉伸的結(jié)果中經(jīng)過HT處理的試樣,其塑性較低;而高溫拉伸的結(jié)果中經(jīng)過HT處理的試樣塑性依然保持較高的狀態(tài),EBSD分析發(fā)現(xiàn)高溫拉伸過程中試樣發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶,而室溫拉伸時沒有出現(xiàn)該現(xiàn)象,由于動態(tài)再結(jié)晶導(dǎo)致高溫拉伸時經(jīng)過HT處理的試樣塑性依然較高;
3)HIP態(tài)試樣的室溫和高溫拉伸斷裂機制均為韌性斷裂,即在拉伸初期產(chǎn)生位錯→位錯在相界處堆積→產(chǎn)生微孔洞→微孔洞聚集形成裂紋并擴展;HIP-HT態(tài)試樣室溫下的斷裂機制可以總結(jié)為:拉伸初期產(chǎn)生位錯→位錯在針狀析出相處堆積→裂紋在位錯堆積處萌生→裂紋擴展;HIP-HT態(tài)試樣在高溫下的斷裂機制可以總結(jié)為:拉伸初期產(chǎn)生位錯→部分晶粒發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,位錯沿再結(jié)晶晶粒周圍分布→再結(jié)晶晶粒晶界處產(chǎn)生裂紋→裂紋擴展。
綜上所述,SiC/Ti65復(fù)合材料制備所采用的熱等靜壓工藝對Ti65合金包套的性能影響較大,在960℃高溫高壓的作用下,其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變,晶粒的粗化會降低其性能,導(dǎo)致鈦基復(fù)合材料性能的整體下降;在熱等靜壓后熱處理可促使Ti65合金包套產(chǎn)生β轉(zhuǎn)變組織,除細化晶粒外還能促使其在高溫拉伸時發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,提升Ti65合金包套的拉伸性能,從而提升SiC/Ti65復(fù)合材料整體性能。
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(注,原文標(biāo)題:熱等靜壓對Ti65合金包套組織性能的影響_鞠長濱)
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