Ti₂C reinforcement particles were incorporated into a Ti-6%Al-4%V matrix and processed by two powder metallurgy techniques, namely elevated temperature pressureless sintering and hot deformation-assisted sintering (also known as hot pressing). For these composites, processing by sintering alone necessitated high temperatures (>​ 1500°C) for near-complete density consolidation, whilst the conditions for temperature and hold time were reduced (i.e. 1000°C and 1⁄2 hour) through deformation-assisted sintering. During high temperature processing in the absence of deformation, considerable coarsening of the lamellar matrix microstructure occurred. The interfacial reaction between the reinforcement and matrix was characterized by in situ neutron diffraction sintering studies at temperatures between 1100°C and 1350°C. Initial reaction occurred by carbon diffusion from the Ti₂C particle to the titanium alloy, as evidenced through the increase in the lattice parameter of the matrix phase with holding time at the various sintering temperatures. Beyond the carbon solubility limit of the matrix phase, a stable stoichiometric phase formed as shown by the appearance of distinct peaks in the neutron diffraction patterns. Room temperature lattice parameter measurement gave a value of 4.290 Å with a fractional occupancy of carbon of 0.45 ± 0.04, which corresponds to a stoichiometry of Ti₂C. For the various isothermal sintering temperatures, change in the Ti C volume fraction with hold time was determined and growth of this interfacial phase was reasoned to occur by carbon diffusion from the Ti₂C particles, through the reaction zone and to the Ti-6%Al-4%V alloy. Transformation of the entire Ti₂C particle to Ti₂C occurred in the composites sintered at 1500°C. For the composites processed by sintering only. the mechanical properties determined by shear punch testing indicated that the strength and ductility are limited at low temperature sintering because of high porosity, and at high temperature sintering because of the interfacial phase. To improve the properties, the composites need to be processed to high densities at low temperatures using deformation- assisted sintering. The interfacial layer thickness in the deformed composites processed to near-complete densities at temperatures between 1000°C and 1200°C was less than 0.3 μm. Moreover microstructural modification of the initial lamellar structure was possible and a refined bimodal microstructure (5 μm alpha plate size) was obtained in the composites deformed just below the beta transus temperature (~1017°C). A combination of low porosity. small interfacial reaction thickness, and microstructural refinement increased the strength and ductility close to that typical of these composites. Subsequent heat treatment of these composites at 1100°C rapidly increased the interfacial reaction layer and degraded the mechanical properties. Hence further processing to increase the density should involve low temperature mechanical working techniques to minimize additional interaction of the matrix and reinforcement and maximize the properties of the composite.

Des particules de renforcement en carbure de titane (Ti₂C) ont été incorporées dans un alliage Ti-6%Al-4%V par deux techniques de métallurgie des poudres, par frittage sans pression à haute température et par frittage sous déformation (ou pressage à chaud). Pour les composites obtenus par frittage seul, une température très élevée (>​1500°C) est nécessaire pour obtenir une densification quasi-complète, alors que les conditions de température et de temps sont réduites (1000°C, 1⁄2 heure) pour le pressage à chaud. Au cours du frittage à haute température sans déformation, il se produit un grossissement important de la microstructure lamellaire de la matrice. La réaction interfaciale entre les particules de renforcement et la matrice a été caractérisée par diffraction de neutrons in-situ en cours de frittage entre 1100°C et 1350°C. La réaction se produit initialement par diffusion du carbone des particules de Ti₂C vers l'alliage de titane, ce qui se traduit par l'accroissement du paramètre de maille de la matrice en fonction du temps de maintien. Au-delà de la limite de solubilité du carbone dans la matrice une phase stachiométrique stable génère de nouveaux pics dans le diagramme de diffraction de neutrons. La mesure du paramètre de maille à la température ambiante donne une valeur de 4.290Å avec un taux d'occupation du carbone de 0,45 ± 0.04, ce qui correspond à la stœchiométrie Ti₂C. On a mesuré la fraction volumique de la phase Ti₂C en fonction du temps de maintien aux différentes températures de frittage, on en a déduit que la croissance de Ti₂C s'effectuait par diffusion de carbone des particules vers l'alliage de titane au travers d'une zone de réaction. La phase Ti₂C disparaît complètement au profit de Ti₂C pour les composites frittés à 1500°C. Les propriétés mécaniques mesurées par des tests de poinçonnement montrent que, pour les composites obtenus par frittage seul, la porosité importante limite la résistance et la ductilité à basse température, pour les composites frittés aux températures élevées la phase interfaciale en est responsable. Afin d'améliorer leurs propriétés mécaniques, les composites doivent être densifiés à basse température par frittage sous contrainte. L'épaisseur de la couche interfaciale dans les composites presque totalement densifiés sous pression entre 1000°C et 1200°C est inférieure à 0.3μm. Par ailleurs, il possible de modifier la microstructure de la structure lamellaire, une structure bimodale affinée (lamelles α de 5 μm) a été obtenue pour des composites déformés juste au dessous de la température du transus beta (~1017°C). Une combinaison entre une faible porosité, une faible épaisseur de la zone de réaction interfaciale et un affinement microstructural augmente la résistance et la ductilité à des valeurs voisines de celles typiques pour ces composites. Au cours d'un traitement ultérieur du matériau à 1100°C l'épaisseur de la couche de réaction interfaciale augmente rapidement et les propriétés mécaniques se dégradent. Les procédés ultérieurs de densification devraient donc faire intervenir des techniques de déformation plastique à basse température pour minimiser les réactions entre la matrice et les particules et optimiser les propriétés du composite.