Ti/Al及Ti/Al3Ti层状复合材料协同变形机制与界面组织演化研究项目摘要

Ti/Al3Ti层状复合材料构件在航空航天、防护装甲、新型武器装备等领域具有重要的意义。在Ti/Al3Ti层状复合构件的两种制造方法中，Ti/Al以及Ti/Al3Ti的塑性成形不仅是必要的环节，而且存在共性问题。然而，两种材料在塑性成形过程中，易出现塑性失稳及界面开裂等问题。 本项目以Ti/Al以及Ti/Al3Ti为研究对象，首先研究材料塑性变形过程中的层间协同变形机制；其次，研究具有初始变形量的Ti/Al热压过程中界面相生成机理以及热力耦合作用下的Ti/Al3Ti界面相转变机理。另外，研究Ti/Al及Ti/Al3Ti层状复合材料成形过程中的界面变化机制、裂纹扩展规律以及缺陷调控方法。本项目着重研究Ti/Al以及Ti/Al3Ti层状复合材料塑性变形的微观机理，为Ti/Al3Ti层状复合构件的后续塑性成形提供理论支撑和工艺优化依据。

Ti/Al3Ti层状复合材料构件在航空航天、防护装甲、新型武器装备等领域具有重要的意义。在 Ti/Al3Ti层状复合构件的两种制造方法中，Ti/Al以及Ti/Al3Ti的塑性成形不仅是必要的环节，而且存在共性问题。然而，两种材料在塑性成形过程中，易出现塑性失稳及界面开裂等问题。 本项目以Ti/Al以及Ti/Al3Ti为研究对象，首先研究材料塑性变形过程中的层间协同变形机制；其次，研究具有初始变形量的 Ti/Al 热压过程中界面相生成机理以及热力耦合作用下的 Ti/Al3Ti 界面相转变机理。另外，研究 Ti/Al 及 Ti/Al3Ti 层状复合材料成形过程中的界面变化机制、裂纹扩展规律以及缺陷调控方法。试验结果发现，将钛箔和铝箔交替叠加后在不同温度和时间下进行热压处理，在550℃以下，Ti/Al界面处无任何化合物生成，且界面平直无任何缺陷，当温度高于550℃时，在一定的时间条件下，Al3Ti是Ti元素和Al元素在扩散反应过程中唯一的反应产物，且在热压过程中，Al3Ti层的厚度随温度呈指数形式增加，随时间呈抛物线形式增加，Al3Ti的反应长大主要是受体扩散控制的；其次，随着应变速率的增加，屈服强度、抗拉强度、应变强化系数及屈强比增加，但延伸率、应变硬化指数降低，表现出明显的应变强化效应；室温下应变速率对塑性应变比的变化敏感性不高；慢应变速率下的成形有利于提高层状复合材料的成形性能；另外，界面局部缺陷部位应力集中萌生微裂纹，微观裂纹萌生方式为微孔成核、长大、聚合。裂纹萌生后沿界面方向相向扩展、连接，形成局部界面分层，此后相邻局部界面分层相向扩展和连接最终在界面形成贯穿分层，最终将导致钛层和试样的断裂，而Al3Ti作为脆性相是裂纹萌生的主要位置。本项目着重研究 Ti/Al 以及 Ti/Al3Ti 层状复合材料塑性变形的微观机理，为 Ti/Al3Ti 层状复合构件的后续塑性成形提供理论支撑和工艺优化依据。

应用TEM和计算机模拟确定了Ll2Al3Ti在不同温度变形进位错分解和运动方式，500℃左右SISF分解转为APB方式，对室温低塑性和高温塑性改变作出合理解释。光电子能谱（XPS）分析一胆DO22Al3Ti脆性源于较强的知向异性共价键，合金化的Ll2结构因Al-Al键的不同仍较脆。正电子湮没技术分析表明室温变形依靠位错增殖但位错可动性差错差，形变后高温退火时无明显回复再结晶。经验电子理论计算表明解理能很低,解理面取向统计与计算结果基本相符。模拟充氢试验表明生成Ti-H化合物弱化晶办，使强度和塑性降低。高能球磨工艺可获得非晶体态合晶，热压成形后强度明显提高而塑性仍保持。加Nb后形成复相组织（Ll2基体 细小分散第投井下石相）已取得强韧化的初步结果。 2100433B

藉助薄膜力学性能测试方法研究金属基层状复合材料界面结合强度及其附近微区的性能如硬度、屈服强度 等。并引入内应力，研究组织、结构和内应力对疲劳裂纹分叉、止裂等的关系。选择既有实用意义又具有不同界面的层状复合材料为对象。拟调变界面区状态以考核结论的正确性，经验证的研究结果不仅对层状也对其他类型复合材料的设计有指导意义。 2100433B