钛-铝-碳复合材料的结构调控、性能及强韧化机理研究

发布时间：2019-01-24 08:18

【摘要】：由于具有密度低、熔点高、比强度和比模量高、抗高温氧化能力出众和蠕变速率小,Ti-Al系金属间化合物可用于制造超高速飞行器的翼、壳体以及喷气发动机和涡轮等航空航天、汽车工业的耐高温部件等,而且可替代钛、镍基高温合金,因此被认为是新一代轻质耐高温结构材料的典型代表。但是,Ti-Al系金属间化合物存在脆性大、高温强度差及超过800℃高温氧化抗力不足等问题,严重阻碍了其应用化进程。复合化技术是改善Ti-Al系金属间化合物性能缺陷的一种行之有效的手段,其中增强相的选择尤为关键。目前,MAX层状三元化合物的出现受到了研究者的广泛关注,它们同时兼具金属和陶瓷的优良性能,被认为是Ti-Al系金属间化合物理想的增强相。本文采用压力辅助原位反应技术制备高纯度Ti3Al C2和内生MAX(Ti2Al C/Ti3Al C2/Ti3Al C2-Ti2Al C)陶瓷颗粒增强Ti-Al系金属间化合物,探索不同种类、数量及组合方式的内生陶瓷颗粒(Ti2Al C/Ti3Al C2/Ti3Al C2-Ti2Al C)对Ti-Al系金属间化合物微观结构和力学性能的影响规律,建立结构与性能之间的关系,探讨强韧化机制,为发展高强高韧原位内生陶瓷颗粒增强Ti-Al系金属间化合物提供必要的技术支持。本文主要研究结果如下:(1)利用Ti-1.2Al-2Ti C、2Ti C-Ti-1.2Al-0.1Sn、2Ti C-Ti-1.2Al-0.1Si、2Ti C-Ti-1.2Al-0.05Sn-0.1Si和2Ti C-Ti-1.2Al-0.1Sn-0.1Si体系的原位反应经1350℃烧结后获得了高纯度Ti3Al C2。2Ti C-Ti-1.2Al体系与Ti-Al-2Ti C体系相比,Ti3Al C2合成纯度较高(90.62wt.%)。通过Si或Sn掺杂,大大提高了Ti3Al C2的合成纯度,尤其是Si和Sn协同掺杂后,Ti3Al C2的合成纯度最高达98.94wt.%。2Ti C-Ti-1.2Al-0.05Sn-0.1Si体系合成产物的综合性能最佳,其Vickers硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为3.68GPa、530.23MPa和7.06MPa·m1/2。(2)利用Ti-Al-Ti--3Al C2体系900℃/2h低温原位反应成功制备了双相Ti3Al C2-Ti2Al C协同增强Ti Al基复合材料。Ti3Al C2和Ti2Al C增强相颗粒主要分布在基体晶界处。随着Ti3Al C2掺杂量的增大,结构变得疏松,增强相团聚严重。当Ti3Al C2掺杂量为5wt.%时,Ti3Al C2-Ti2Al C/Ti Al基复合材料的性能最佳,Vickers硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为2.7GPa、316MPa和7.3MPa·m1/2。合适的界面结合强度、双相Ti3Al C2-Ti2Al C协同配合是赋予高韧性的主要原因。(3)利用Ti-Al-Ti3-Al C2体系的低温原位反应(1000℃/2h)成功制备了Ti2Al C/Ti Al基复合材料。利用Ti3Al C2分解反应原位形成的Ti2Al C陶瓷颗粒尺寸细小,主要分布在Ti Al基体的晶界处,并构成了网络状结构。随着Ti2Al C生成量的增加,团聚现象加剧,结构疏松。当Ti3Al C2掺杂量为5wt.%时,Ti2Al C/Ti Al基复合材料的性能最佳,Vickers硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为3.7GPa、651.5MPa和10.89MPa·m1/2。提出了Ti2Al C/Ti Al基复合材料的韧化机制:基体晶粒的细化和均匀分布的Ti2Al C陶瓷颗粒;原位Ti2Al C的存在引发的裂纹偏转,棒状Ti2Al C的架桥效应以及穿晶断裂。(4)利用TixAly-Ti3Al C2体系1150℃/2h原位反应成功制备了高强高韧Ti2Al C增强的Ti Al基复合材料。Ti2Al C颗粒主要呈2种形态:弥散和大颗粒状,结构致密。随着Ti3Al C2掺杂量的增大,基体晶粒明显减小。当Ti3Al C2掺杂量为5wt.%时,获得了最佳综合性能,Vickers硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为5.14GPa、921.8MPa和7.2MPa·m1/2,与Ti Al合金相比,抗弯强度提高了232.6%,断裂韧性提高了23.6%。弥散分布的第二相Ti2Al C的形成,细化了Ti Al基体晶粒,同时穿晶断裂、裂纹的偏转和桥联、增强相颗粒的拔出等混合断裂特征使裂纹扩展需要更多的能量,裂纹扩展受阻,韧性得以改善。(5)利用Ti-Al-Ti C体系原位反应(1300℃)成功制备了原位内生Ti2Al C/Ti Al基复合材料。原位形成的Ti2Al C陶瓷颗粒尺寸约5~10μm;Ti2Al C颗粒大部分分布在Ti Al基体的晶界处;随Ti2Al C生成量的逐渐增大,Ti2Al C呈团簇状分布。当Ti2Al C含量为15wt.%时,Ti Al/Ti2Al C基复合材料的抗弯强度和断裂韧性达到最大,分别为486±16MPa和7.78±0.13MPa·m1/2,较Ti Al合金提高了5.65%和8.2%。Ti2Al C陶瓷颗粒的生成,使得Ti Al合金的强度和塑性同时得以提高,但Ti2Al C含量高时,反而不利于强度和塑性的提高。提出了强韧化机制:柔性第二相Ti2Al C强化和细晶强化;混合断裂模式(穿晶断裂、层间撕裂、层状剥离以及桥联、裂纹分叉和裂纹偏转等)。(6)利用Ti-Al-Ti C-CNTs体系的原位反应成功制备了Ti3Al C2/Ti Al3基复合材料。增强相Ti3Al C2主要分布在Ti Al3晶界处,形成网络状结构,Ti3Al C2和Ti Al3结合紧密。Ti3Al C2呈2种不同形态分布:粒子和针状。Ti3Al C2/Ti Al3基复合材料的弯曲强度和断裂韧性分别达487.2MPa和5.5MPa·m1/2,远高于Ti Al3合金的弯曲强度(162MPa)和断裂韧性(2MPa·m1/2),分别提高了约200.7%和175%。Ti3Al C2/Ti Al3基复合材料存在多种增韧机制,包括裂纹的偏转、分支和桥联,颗粒的拔出以及穿晶断裂等。(7)利用Ti-Al-Ti C-CNTs体系的原位反应成功制备了Ti2Al C Ti2Al C/Ti Al3复合材料,并形成了搭接层状结构,样品的弯曲强度和断裂韧性最高可达343.21MPa和6.5MPa·m1/2,远高于Ti Al金的弯曲强度(162MPa)和断裂韧性(2MPa·m1/2),分别提高了225%和111.86%。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33

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本文编号：2414292