鈦基復(fù)合材料 (Tiｔａｎiｕｍ ｍａｔｒiｘ CｏｍｐｏSiｔｅS，ＴＭCS)是為突破傳統(tǒng)高溫鈦合金服役過(guò)程面臨的“熱障”溫度(600 ℃)， 改善鈦合金服役性能， 進(jìn)一步拓
寬其應(yīng)用領(lǐng)域而開(kāi)發(fā)的一種新材料， 主要由純鈦或鈦合金基體及增強(qiáng)相組合而成[1-2]。 增強(qiáng)相按其形貌特征可分為長(zhǎng)纖維增強(qiáng)相 ( SiC) 和顆粒增強(qiáng)相(TiB、TiC、 Al2O3、 稀土氧化物及石墨烯等) [3-7]；典型鈦合金基體主要包括α＋β型鈦合金( 如TC4等)和近α型鈦合金(如Ti-1100、 IMI834、 BT18y及Ti60 等) [8]。 國(guó)內(nèi)外研究人員立足于實(shí)際服役環(huán)境
和研究需求， 根據(jù)增強(qiáng)相與基體合金的選擇要求并結(jié)合當(dāng)前常用制備工藝特點(diǎn)， 經(jīng)過(guò)幾十年的探索，成功開(kāi)發(fā)出一系列鈦基復(fù)合材料， 如TiB/TC4、TiC/TC4、 ＧＯＮS(氧化石墨烯納米片) /TC4、 (TiB ＋TiC) /近α-Ti、 Y2O3 / 近 α-Ti、 (TiB ＋ Ｌａ2O3) / IMI834、 (TiB＋TiC＋ Y2O3) / 近 α-Ti 等[9-15]。
鈦基復(fù)合材料具有低密度、 高比強(qiáng)度、 高比模量、 優(yōu)異的高溫性能及耐腐蝕性能等突出優(yōu)勢(shì)， 在航空航天、 汽車制造、 石油化工、 船舶艦艇、 海洋工程等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[16-18]。 近年來(lái)，隨著航空航天等高端領(lǐng)域尤其是高超聲速飛行器的快速發(fā)展， 腹板、 翼肋、 橫梁、 尾翼、 防火壁、 結(jié)構(gòu)骨架等關(guān)鍵部位服役環(huán)境日趨苛刻， 對(duì)高性能鈦基復(fù)合材料板材的需求極為迫切[19-20]。 目前， 國(guó)內(nèi)外在推動(dòng)低成本大變形或大尺寸高性能鈦基復(fù)合材料板材工業(yè)化方面開(kāi)展了大量的研究工作， 并取得了一定成果[1-3，7，16，19，21-23]。 本文通過(guò)綜述典型鈦基復(fù)合材料板材軋制工藝及其對(duì)微觀組織和力學(xué)性能影響等方面的研究進(jìn)展， 針對(duì)當(dāng)前研究存在的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行多角度分析， 指出了相關(guān)研究的不足之處及未來(lái)的研究重心， 以期為鈦基復(fù)合材料板材軋制工藝的制定提供系統(tǒng)指導(dǎo)， 加強(qiáng)相關(guān)研究的目的性，從而為加速推進(jìn)大變形或大尺寸高性能鈦基復(fù)合材料板材的研發(fā)指明方向。
1、 鈦基復(fù)合材料板材軋制工藝概述
鈦基復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫服役性能， 但其熱變形能力明顯較差， 大變形或大尺寸鈦基復(fù)合材料板材的制備尤為困難。 一方面， 為滿足苛刻的服役要求， 常選用高溫性能優(yōu)異的近α型高溫鈦合金作為基體， 與其他類型鈦合金相比， 近α型高溫鈦合金具有更窄的熱加工窗口和更高的熱加工參數(shù)敏感性[24-27]； 另一方面， 增強(qiáng)相的加入使其熱變形激活能進(jìn)一步提高(見(jiàn)表 1)， 導(dǎo)致復(fù)合材料的塑性變形能力顯著降低[24-25]。 此外， 熱變形過(guò)程特別是大變形過(guò)程中出現(xiàn)的吸氫、 吸氧現(xiàn)象也會(huì)進(jìn)一步增加板材的制備難度。 研究表明， 鈦基復(fù)合材料的熱軋制過(guò)程與基體合金成分體系、 增強(qiáng)相類型、 分布、含量及熱軋制工藝參數(shù)密切相關(guān)[7，9-10， 15-16， 18， 23， 26]。
因此， 針對(duì)鈦基復(fù)合材料板材熱軋制中存在的難題，開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究， 合理設(shè)計(jì)并優(yōu)化熱軋制工藝參數(shù)， 對(duì)加快大變形或大尺寸高性能鈦基復(fù)合材料板材工業(yè)化進(jìn)程， 推動(dòng)航空航天事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。
經(jīng)過(guò)近 20 年的探索， 鈦基復(fù)合材料板材制備技術(shù)逐漸趨于成熟， 主要包括熱軋制[12， 21， 23]、 熱擠壓[32]、 累積疊軋焊接[33] 及軋制-擴(kuò)散連接[34] 等工藝。 其中， 熱軋制技術(shù)憑借其突出的成本和工藝優(yōu)勢(shì)已成 為 當(dāng) 前 鈦 基 復(fù) 合 材 料 板 材 制 備 的 主 要 方式[16， 18-19， 35]。 一方面， 熱軋制溫度區(qū)間相對(duì)較寬，可在β相區(qū)或α＋β兩相區(qū)進(jìn)行(熱擠壓一般僅在 β相區(qū)進(jìn)行)， 為后續(xù)通過(guò)熱處理進(jìn)行組織調(diào)控提供了相對(duì)廣闊的空間； 另一方面， 熱軋制技術(shù)在組織細(xì)化與缺陷消除、 增強(qiáng)相均勻分布、 力學(xué)性能提高等方面均具有突出優(yōu)勢(shì)[36-37]。
國(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)合理設(shè)計(jì)熱軋制工藝， 成功軋 制 出 一 系 列 鈦 基 復(fù) 合 材 料 板 材， 如 表 2 所示[9，12，15，20-21，38-48]。 分析可知， 軋制溫度的選擇應(yīng)綜合考慮增強(qiáng)相含量和變形量的影響， 當(dāng)增強(qiáng)相含量較高或變形量較大時(shí)， 板材軋制難度較大， 初始軋制 溫 度 一 般 選 擇β相 區(qū) 附 近 以 降 低 變 形 抗力[12，20-21，39，40，46]。 同時(shí)， 為獲得大變形或大尺寸板材， 必須嚴(yán)格控制軋制道次及道次變形量。 軋制變形量較小時(shí)， 板材制備相對(duì)容易， 多采用低溫單道次軋制， 如 ＴａBｒiｚi 等[9] 在 900 ℃ (α ＋β兩相區(qū)) 采用單道 次 軋 制 工 藝 成 功 制 備 出 變 形 量 為 66％ 的2.5ｖｏｌ％ (TiBｗ ＋TiCｐ) /TC4 板材。 隨著軋制變形量的增大， 軋制溫度和軋制道次均需進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)，如 Ｌｅ 等[12]為獲得變形量為 80％ 的 2.4ｖｏｌ％ (TiB ＋Ｌａ2Ｏ3) / IMI834 板材， 將初始軋制溫度提高至1055℃(β 相區(qū))， 并采用多道次熱軋工藝( 道次變形量為10％ 且每三道次回爐保溫 10 ｍiｎ， 見(jiàn)圖 1ａ)。 相似地， Ｚｈａｎｇ 等[40]也在β相區(qū)(1110 ℃)采用多道次熱軋工藝(道次變形量約為 40％ ， 見(jiàn)圖 1B)成功制備出
變形量高達(dá) 90％ 的5.0ｖｏｌ％ (TiBｗ ＋TiCｐ) /Ti-6Al-2.5Sｎ-4Zr-0.7Mo-0.3Si 板材。 當(dāng)軋制變形量進(jìn)一步增大時(shí)， 板材制備難度大幅提高， 如韓遠(yuǎn)飛等[20] 采用多道次熱軋工藝(圖 1C)并嚴(yán)格控制不同軋制道次之間板材表面質(zhì)量、 道次變形量和回爐次數(shù)， 成功制備出變形量為95％ 的2.4ｖｏｌ％ (TiB ＋ ＲｅｘOｙ ) /Ti板材。 綜上可以看出， 隨著變形量的提高， 軋制工藝更為復(fù)雜: 軋制溫度顯著升高、 軋制道次明顯增多。 近年來(lái)， 為進(jìn)一步優(yōu)化傳統(tǒng)熱軋制工藝流程， 降低熱軋制成本， 研究人員在傳統(tǒng)熱軋制工藝的基礎(chǔ)上成功開(kāi)發(fā)出鑄態(tài)鈦基復(fù)合材料直接軋制工藝， 并獲得了不同成分體系的鈦基復(fù)合材料板材[15，21，41-43]。
根據(jù)表 2 進(jìn)一步可知， 鈦基復(fù)合材料軋制變形量主要集中在 60％~90％ ， 板材厚度多為2.0~5.0ｍｍ，明顯 高 于 航 空 航 天 用 板 材 最 佳 厚 度 要 求 (1.0~1.5ｍｍ)。 這主要是由以下 2 方面原因所致: 第一，鈦基復(fù)合材料進(jìn)行大變形時(shí)， 大量增強(qiáng)相容易折斷，微裂紋和表面缺陷更易形成， 板材力學(xué)性能嚴(yán)重惡化； 第二， 隨著板材厚度減小， 熱量損失更為嚴(yán)重，需要增加軋制道次和回爐次數(shù)， 從而導(dǎo)致軋制過(guò)程吸氫、 吸氧嚴(yán)重， 板材脆化進(jìn)一步加劇[49]。 此外，大尺寸鈦基復(fù)合材料板材軋制過(guò)程易變形、 易開(kāi)裂
等問(wèn)題尚未得到較好解決， 大尺寸板材的軋制過(guò)程仍面臨諸多“卡脖子” 難題。 近年來(lái)， 國(guó)外關(guān)于大尺寸鈦基復(fù)合材料板材的研究鮮有報(bào)道， 而國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)多年努力雖取得一定成果(如哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳玉勇教授團(tuán)隊(duì)成功軋制出 2000 ｍｍ × 300 ｍｍ × 2 ｍｍ 的5.0ｖｏｌ％ (TiBｗ ＋TiCｐ) /Ti-6Al-2.0Sｎ-4Zr-0.7Mo板材，代表了當(dāng)前國(guó)內(nèi)鈦基復(fù)合材料板材軋制的先進(jìn)水平)， 但仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。 綜上所述， 關(guān)于鈦基復(fù)合材料板材軋制工藝的研究雖已取得一定成果，但大變形或大尺寸高性能薄板的制備過(guò)程中仍存在
許多亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。 因此， 如何經(jīng)濟(jì)高效地制備出大變形或大尺寸高性能鈦基復(fù)合材料薄板并推動(dòng)其工業(yè)化進(jìn)程， 將是未來(lái)研究的重點(diǎn)和主要方向。
2 、軋制工藝對(duì)板材的影響
軋制溫度、 變形量或道次變形量、 軋制速率等工藝參數(shù)均會(huì)對(duì)基體合金的塑性變形能力、 增強(qiáng)相特征(類型、 含量、 分布和長(zhǎng)徑比等) 及基體與增強(qiáng)相的協(xié)調(diào)變形作用產(chǎn)生重要影響， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀組織的調(diào)控， 最終獲得期望力學(xué)性能的鈦基復(fù)合材料板材。 近年來(lái)， 國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)不同成分體系鈦基復(fù)合材料板材的微觀組織及力學(xué)性能開(kāi)展了廣
泛研究并取得了一定成果。
2.1軋制溫度對(duì)板材微觀組織和力學(xué)性能的影響
軋制溫度作為影響鈦基復(fù)合材料板材組織與性能的重要工藝參數(shù)之一備受研究人員關(guān)注。 目前，鈦基復(fù)合材料板材軋制主要集中在α＋β兩相區(qū)或 β相區(qū)進(jìn)行。 在α＋β兩相區(qū)進(jìn)行熱軋時(shí)，α相和β相之間變形抗力差， 復(fù)合材料塑性變形受滑移系相對(duì)較少的α相控制， 變形抗力較大。 此時(shí)， 增強(qiáng)相的存在可以有效抑制α相中的位錯(cuò)滑移， 促進(jìn)α相球化、 動(dòng)態(tài) 回 復(fù) 或 動(dòng) 態(tài) 再 結(jié) 晶 等 過(guò) 程 的 進(jìn) 行。 Ｒｏｙ等[50]研究了α＋β兩相區(qū)內(nèi)軋制溫度對(duì)TiB /Ti-6Al-4Ｖ 復(fù)合材料微觀組織演變的影響， 發(fā)現(xiàn)隨著軋制溫度的升高，α相球化過(guò)程加快且由TiB 斷裂引起的孔洞逐漸消失， 微觀組織實(shí)現(xiàn)了從片層狀到等軸狀的有效轉(zhuǎn)變； 同時(shí)，TiB 對(duì)α相球化過(guò)程的促進(jìn)作用進(jìn)一步提高了較低溫度下軋制無(wú)缺陷鈦基復(fù)合材料板材的成功率(圖 2ａ)。 當(dāng)軋制溫度升高至β單相區(qū)時(shí)， 復(fù)合材料的塑性變形由滑移系較多的β相控制， 變形抗力降低， 軋板組織類型發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變；同時(shí)， 增強(qiáng)相與基體之間的協(xié)調(diào)變形能力顯著提高，TiB 晶須和大尺寸TiC顆粒等陶瓷增強(qiáng)相折斷程度明顯降低， 可以有效阻礙β相中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)， 促進(jìn) β相發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(圖 2B) [23，40，51]。 值得注意的是，由于軋制材料與軋輥之間溫差較大， 軋制過(guò)程存在較大溫降， 所以當(dāng)在β相區(qū)熱軋時(shí)， 實(shí)際軋制溫度可能仍處于α＋β兩相區(qū)， 導(dǎo)致軋態(tài)組織與預(yù)期狀態(tài)存在較大差異[12]。 綜上所述， 軋制溫度升高在促進(jìn)球化、 回復(fù)和再結(jié)晶等軟化過(guò)程進(jìn)行的同時(shí)， 還可以促進(jìn)增強(qiáng)相與基體之間的協(xié)調(diào)變形， 弱化或消除因軋制造成的增強(qiáng)相斷裂， 從而對(duì)鈦基復(fù)合材料板材微觀組織產(chǎn)生重要影響。
表 3 為不同軋制溫度下典型鈦基復(fù)合材料板材的拉伸性能。 由文獻(xiàn)[21] 可以看出， 當(dāng)軋制溫度由α ＋β兩相區(qū)升高至β相區(qū)時(shí)， 板材強(qiáng)度提高， 延伸率降低。 一方面， 軋制溫度升高至β相區(qū)使得軋板由雙態(tài)組織或等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢咏M織， 細(xì)小的片層間距可以大幅縮短位錯(cuò)滑移距離， 抑制應(yīng)力集中和裂紋擴(kuò)展； 另一方面， 軋制溫度升高可以有效提
高基體流動(dòng)性， 快速?gòu)浐弦蛟鰪?qiáng)相斷裂造成的孔洞，為獲得拉伸性能優(yōu)異的板材提供良好的塑性變形條件。 此外，β相區(qū)熱軋還可以提高軋制過(guò)程中增強(qiáng)相與基體之間的協(xié)調(diào)變形能力， 降低增強(qiáng)相破碎程度， 使其強(qiáng)化作用得以保證。 值得注意的是， 對(duì)TiC增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料而言， 軋制溫度提高至β相區(qū)會(huì)弱化 C元素在α相或等軸組織中的固溶強(qiáng)化作用，導(dǎo)致室溫強(qiáng)度降低、 延伸率提高[52]； 高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明[23，50]， 鈦基復(fù)合材料的高溫拉伸性能受組織類型的影響較大。 所以， 軋制溫度對(duì)鈦基復(fù)合材料板材拉伸性能的影響需綜合考慮組織類型、 基體流動(dòng)能力、 增強(qiáng)相類型及增強(qiáng)相與基體之間的協(xié)調(diào)變形能力等因素。
2.2變形量對(duì)板材微觀組織和力學(xué)性能的影響
研究表明， 對(duì)近α或α＋β鈦合金而言， 在α＋β 兩相區(qū)軋制時(shí)， 隨著軋制過(guò)程的進(jìn)行，β相逐漸被拉長(zhǎng)或破碎、 原始β晶界附近α相之間的差別逐漸消失， 當(dāng)變形量提高至一定程度時(shí)，α相和β相依次發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶直至完全； 在β相區(qū)熱軋時(shí)， 隨著變形量的提高， 等軸β晶粒依次經(jīng)歷低程度形變(晶粒被拉長(zhǎng)并逐漸形成變形帶)、 晶界處β相動(dòng)態(tài)再結(jié)晶開(kāi)始發(fā)生、β相完全再結(jié)晶等過(guò)程[51]。 值得注意的是， 雖然變形量對(duì)鈦基復(fù)合材料基體合金微觀組織演變規(guī)律的影響與對(duì)普通鈦合金的影響基本一致， 但增強(qiáng)相的存在使其具有明顯不同的組織演變特征。 田寧[7] 研究了軋制變形量對(duì)石墨烯增強(qiáng)TC4 鈦基復(fù)合材料微觀組織的影響， 發(fā)現(xiàn)石墨烯會(huì)在晶界處團(tuán)聚誘發(fā)孔洞或裂紋， 但提高變形量可以有效抑制這一缺陷的形成(圖 3ａ)。 此外， 變形量對(duì)準(zhǔn)連續(xù)網(wǎng)狀增強(qiáng)相增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料的作用與上述分析基本一致[47]。 Cｈｅｎ 等[42] 通過(guò)探究軋制過(guò)程中TiB 顆粒對(duì)Ti-2Al-9.2Ｍｏ-2Ｆｅ 合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的影響發(fā)現(xiàn)，TiB 顆粒可以通過(guò)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶提供額外的形核位點(diǎn)， 且隨變形量提高，TiB 顆粒主導(dǎo)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶更為凸顯(圖 3B)。 類似地， Ｚｈａｎｇ 等[10]在研究2.5ｖｏｌ％ (TiB ＋TiC) / 近 α-Ti軋制過(guò)程時(shí)也發(fā)現(xiàn)， 斷裂的TiB 和TiC不僅可以為 α相的非均勻形核提供形核位點(diǎn)， 還可以有效阻礙 α
相的長(zhǎng)大， 起到均勻細(xì)化組織的作用， 實(shí)現(xiàn)α相的等軸化； 隨變形量提高， 增強(qiáng)相斷裂程度加劇并趨向平行于軋制方向排列， 上述作用進(jìn)一步加強(qiáng)( 圖3C)。 綜上所述， 軋制變形量的提高會(huì)促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)， 使球化、 動(dòng)態(tài)回復(fù)及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等過(guò)程更為完全； 同時(shí)， 也會(huì)使增強(qiáng)相斷裂程度加劇但分布更為均勻并趨向平行于軋制方向排列， 既可以為晶粒形核提供額外的形核位點(diǎn)， 又可以有效抑制晶粒長(zhǎng)大，促進(jìn)組織的均勻細(xì)化和等軸化。
表 4 為典型鈦基復(fù)合材料板材經(jīng)不同變形量軋制后的拉伸性能。 結(jié)合表 4 進(jìn)一步分析軋制變形量對(duì)板材力學(xué)性能的影響， 發(fā)現(xiàn)變形量對(duì)鈦基復(fù)合材料板材拉伸性能的影響較為復(fù)雜。 軋制變形量增大，鈦基復(fù)合材料塑性變形加劇， 位錯(cuò)纏結(jié)、 堆積等障礙形成， 板材位錯(cuò)密度不斷提高， 導(dǎo)致加工硬化成為拉伸過(guò)程中的主要變形機(jī)制， 從而使得室溫拉伸強(qiáng)度提高而塑性降低； 隨著軋制變形量進(jìn)一步增大( > 80％ )， 軋制過(guò)程動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等軟化行為發(fā)生， 位錯(cuò)密度逐漸降低， 板材的加工硬化狀態(tài)得以弱化消除， 從而使得室溫強(qiáng)度有所降低而塑性顯著提高[53-54]。 此時(shí)， 增強(qiáng)相多平行于軋制方向排列且分布均勻性明顯提高， 這是板材拉伸性能進(jìn)一步優(yōu)化的重要原因。 Ｚｈａｎｇ 等[10] 發(fā)現(xiàn)增大軋制變形量可以有效促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生， 顯著提高晶粒細(xì)化程度， 細(xì)晶強(qiáng)化作用大大增強(qiáng)， 板材強(qiáng)度和塑性均隨變形量的增大持續(xù)提高。 然而， 當(dāng)變形量
過(guò)大時(shí)， 熱軋過(guò)程吸氫、 吸氧嚴(yán)重， 板材脆化加劇；同時(shí)， 增強(qiáng)相大量折斷甚至與基體脫粘， 大量缺陷或孔洞形成， 拉伸性能嚴(yán)重惡化[49]。 因此， 分析變形量對(duì)鈦基復(fù)合材料板材拉伸性能的影響需從復(fù)合材料成分體系、 熱軋過(guò)程變形機(jī)制(加工硬化、 回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶)、 增強(qiáng)相破碎程度及分布均勻性等方面綜合考慮。
整體而言， 關(guān)于軋制工藝對(duì)鈦基復(fù)合材料板材微觀組織和拉伸性能影響的研究已取得一定進(jìn)展，但相關(guān)研究重點(diǎn)主要集中在軋制溫度和變形量， 且當(dāng)前研究仍存在許多不足之處: ① 軋制溫度對(duì)鈦基復(fù)合材料板材微觀組織和拉伸性能影響的研究主要涉及α＋β兩相區(qū)向β相區(qū)升溫， 熱軋溫度尤其是 β相區(qū)熱軋對(duì)板材組織演變的作用機(jī)制有待進(jìn)一步明晰，α＋β兩相區(qū)內(nèi)或β相區(qū)內(nèi)軋制溫度升高對(duì)板材拉伸性能影響的研究也需要進(jìn)一步完善； ② 板材軋制變形量主要集中于40％ ~ 80％ ， 關(guān)于大變形量對(duì)鈦基復(fù)合材料板材微觀組織和拉伸性能影響的研究相對(duì)較少。
3、 軋后熱處理對(duì)板材的影響
熱處理是鈦基復(fù)合材料板材消除殘余應(yīng)力、 調(diào)控組織、 改善力學(xué)性能的重要手段。 常見(jiàn)的熱處理方式包括退火處理、 固溶處理和時(shí)效處理等。 對(duì)基體合金而言， 熱處理過(guò)程通常會(huì)發(fā)生β相與α相的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、 殘余β相或馬氏體相分解、α相有序轉(zhuǎn)變、 ω 相變及硅化物析出等行為， 它們受熱處理溫度、 冷卻速率、 保溫時(shí)間等參數(shù)影響較大。 圖
4 為 典 型 鈦 基 復(fù) 合 材 料 板 材 熱 處 理 后 的 顯 微 組織[7，43，55]。 退火溫度升高促進(jìn)了初生α相→β 相轉(zhuǎn)變、α相和β相的靜態(tài)再結(jié)晶及再結(jié)晶β相→次生 α相轉(zhuǎn)變等過(guò)程的發(fā)生， 實(shí)現(xiàn)了細(xì)化組織的目的( 圖4ａ、 4B)； 但是， 當(dāng)退火溫度較高時(shí)，α晶粒明顯長(zhǎng)大， 導(dǎo)致退火處理效果有所降低。 同時(shí)， 熱處理參數(shù)對(duì)最終組織狀態(tài)也有決定性影響。 一般而言， 在α ＋β兩相區(qū)固溶處理后可獲得雙態(tài)組織或等軸組織， 而在β單相區(qū)固溶處理后可獲得片層組織[45]。
Ｙａｎｇ 等[55]研究了固溶 ＋ 時(shí)效熱處理工藝對(duì)5.0ｖｏｌ％TiBｗ/Ti60 復(fù)合材料微觀組織的影響， 發(fā)現(xiàn)經(jīng) 950℃淬火后， 軋態(tài)片層α相消失， 淬火態(tài)板條 α′相形成；后續(xù)經(jīng) 500 ℃時(shí)效， 板條 α′相消失， 細(xì)小等軸α相形成； 當(dāng)時(shí)效溫度升高至 600 ℃ 時(shí)， 細(xì)小等軸α相不斷合并， 最終形成近網(wǎng)籃組織(圖 4C)。 熱處理對(duì)增強(qiáng)相形貌和分布的影響與熱處理參數(shù)及增強(qiáng)相類型密切相關(guān): 低溫短時(shí)熱處理時(shí)， 增強(qiáng)相相對(duì)穩(wěn)定，基本無(wú)變化； 低溫長(zhǎng)時(shí)熱處理時(shí)， 增強(qiáng)相形貌和分布的改變與增強(qiáng)相類型有關(guān)， 如樹(shù)枝狀或條狀TiC
易發(fā)生熔斷或顆粒化，TiB 則相對(duì)穩(wěn)定； 高溫?zé)崽幚頃r(shí)， 增強(qiáng)相形貌和分布隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生明顯改變， 如TiC含量逐漸降低甚至趨于完全消失，TiB 則由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧罨蚪容S狀， 而稀土氧化物類增強(qiáng)相(Ｙ2O3、 Ｌａ2O3 等) 相對(duì)穩(wěn)定， 其形貌和分布變化較小[56-57]。 此外， 在熱處理過(guò)程中， 增強(qiáng)相還可以有效抑制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)， 造成位錯(cuò)堆積， 為基體相靜態(tài)再結(jié)晶提供有利形核位點(diǎn)， 進(jìn)一步促進(jìn)組織細(xì)化。
熱處理通過(guò)調(diào)控基體合金組織類型及增強(qiáng)相形貌、 分布等特征， 實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦基復(fù)合材料拉伸性能的優(yōu)化。 近年來(lái)， 相關(guān)學(xué)者就熱處理對(duì)鈦基復(fù)合材料板材拉伸性能的影響開(kāi)展了一定的研究工作， 如表5 所示。 田寧[7]通過(guò)探究退火溫度對(duì) ＧＯＮS-2Cｕ /TC4軋板室溫拉伸性能的影響， 發(fā)現(xiàn)退火溫度升高促進(jìn)了α相和β相靜態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行， 大量等軸α相形成， 顯著降低了滑移系激活難度， 從而使得板材強(qiáng)度降低而延伸率增大。 Ｙａｎｇ 等[55] 通過(guò)探究熱處理工藝對(duì)5ｖｏｌ％TiBｗ /Ti60 復(fù)合材料板材室溫和高溫拉伸性能的影響， 成功優(yōu)化出適宜的固溶和時(shí)效處理制度， 淬火(950 ℃ / 0.5ｈ / ＷC) 或淬火 ＋ 500 ℃時(shí)效后板材具有較好的綜合拉伸性能。 分析可知，時(shí)效處理階段回復(fù)或再結(jié)晶等軟化過(guò)程弱化了加工硬化和熱處理強(qiáng)化， 軋板強(qiáng)度降低而塑性提高； 但當(dāng)時(shí)效溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)， 晶粒過(guò)度長(zhǎng)大， 導(dǎo)致強(qiáng)度和塑性均有所惡化。 值得注意的是，
熱處理過(guò)程中增強(qiáng)相形貌、 含量和分布的改變及由增強(qiáng)相引起的晶粒細(xì)化也會(huì)對(duì)軋板拉伸性能產(chǎn)生一定影響。 綜上所述， 熱處理工藝對(duì)鈦基復(fù)合材料板材微觀組織和力學(xué)性能影響的研究已取得一定進(jìn)展， 但研究重點(diǎn)主要集中在熱處理溫度和時(shí)間， 而關(guān)于冷卻速率的研究相對(duì)較少； 同時(shí)，β相區(qū)熱處理尤其是固溶處理對(duì)板材微觀組織和拉伸性能影響
的研究仍需要進(jìn)一步系統(tǒng)加強(qiáng)； 此外， 熱處理過(guò)程增強(qiáng)相與基體組織之間的相互作用機(jī)制也需要進(jìn)一步闡明。
4、 結(jié) 語(yǔ)
隨著航空航天、 海洋工程等高端領(lǐng)域尤其高馬赫數(shù)飛行器、 深海空間站等重大裝備的飛速發(fā)展，對(duì)大變形或大尺寸高性能鈦基復(fù)合材料薄板的需求與日俱增。 目前， 關(guān)于鈦基復(fù)合材料熱軋工藝的研究雖然取得了一定成果， 但大變形或大尺寸高性能薄板制備過(guò)程中易變形、 易開(kāi)裂等關(guān)鍵問(wèn)題仍未得到較好解決。 同時(shí)， 關(guān)于熱軋制工藝及軋后熱處理工藝對(duì)板材組織與力學(xué)性能影響的研究仍存在許多不足之處。
(1) 目前， 大變形或大尺寸高性能鈦基復(fù)合材料板材的軋制過(guò)程仍面臨諸多瓶頸問(wèn)題， 如薄板軋制過(guò)程吸氫、 吸氧導(dǎo)致性能惡化以及工藝穩(wěn)定性較差且成本較高等。 因此， 探索大變形或大尺寸高性能鈦基復(fù)合材料薄板的低成本高效穩(wěn)定軋制工藝，科學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化軋制工藝參數(shù)， 推動(dòng)鈦基復(fù)合材料板材的工業(yè)化進(jìn)程， 仍將是鈦基復(fù)合材料板材的重要研究方向。
(2)β相區(qū)熱軋、 大變形量及β相區(qū)固溶處理對(duì)鈦基復(fù)合材料板材組織演變影響規(guī)律的研究有待進(jìn)一步完善， 增強(qiáng)相與基體組織之間的相互作用機(jī)制也需進(jìn)一步明晰。 深入探究軋制過(guò)程組織演變機(jī)制可以為合理調(diào)控軋制工藝參數(shù)、 提高工藝穩(wěn)定性提供有力的科學(xué)依據(jù)， 也可為獲得性能優(yōu)異的薄板提供良好的組織基礎(chǔ)。
(3)α＋β兩相區(qū)內(nèi)或β相區(qū)內(nèi)軋制溫度升高、大變形量、 熱處理冷卻速率及β相區(qū)固溶處理對(duì)鈦基復(fù)合材料板材拉伸性能及拉伸過(guò)程組織演變規(guī)律影響的研究相對(duì)較少； 當(dāng)前板材力學(xué)性能的研究主要集中在拉伸行為， 關(guān)于其他力學(xué)性能如蠕變行為、超塑行為的研究極度匱乏。 未來(lái)， 不僅要加強(qiáng)對(duì)上述不足之處的系統(tǒng)深入探索， 還要進(jìn)一步明晰力學(xué)性能-微觀組織-軋制工藝之間的內(nèi)在聯(lián)系， 深化性能、 組織及軋制工藝的三位一體綜合研究， 加快大變形或大尺寸高性能鈦基復(fù)合材料板材的工業(yè)化進(jìn)程。
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