钛—铝层状复合材料自组装合成技术研究

发布时间：2019-08-17 21:18

【摘要】：Ti-Al层状复合材料兼具TiAl金属间化合物的高强度及金属Ti或Al的高塑性,具有密度小、比强度高等特点,近年来已在航空航天领域获得应用,并可作为武装直升机防护装甲的优良备选材料。然而,以纯Ti及纯Al作为基材,通过叠轧等传统方法制备的Ti-Al层状复合材料的塑韧性较低,且需通过长时高温退火使Ti、Al反应形成金属间化合物层,制备效率低,严重限制了该类复合材料的广泛应用。本研究引入非晶材料的活化特性,以Al-Ti基非晶-Al和Ti-Al基非晶-Ti模块为研究对象,探索利用热压法直接制备层状复合材料的可能性,并对所制备的层状复合材料进行微观组织及反应层生长动力学分析,对Ti-Al层状复合材料的工程化应用具有重要意义。本文首先利用真空快淬法制备了Ti基非晶箔材和Al基非晶箔材,随后利用Gleeble热模拟试验机通过热压法制备了Al-TiAl金属间化合物-Al和Ti-TiAl金属间化合物-Ti叠层复合材料。TiAl金属间化合物层分别由Ti基非晶-Al箔和Al基非晶-Ti箔反应获得。同时,利用SEM对所制备的叠层复合材料进行微观组织分析,探明了热压温度及保温时间对层状复合材料微观组织的影响规律,确定了反应产物类型;并最终建立了扩散反应层的生长动力学模型。主要结论如下:(1)在本研究涉及的温度及保温时间范围内,Ti基非晶与Al、Al基非晶与Ti复合时的反应产物均为TiAl3,与热力学分析结果相符。(2)560℃时,非晶箔材与金属Ti或Al层均未发生反应;当温度升至600℃时,非晶箔材与金属Ti或Al开始反应,且随温度及保温时间延长,反应层厚度增加。Ti基非晶与Al复合时,640℃保温4h后,形成了较理想的Al-TiAl-Al层状复合材料。Al基非晶与Ti复合时,620℃保温3h后,形成了较理想的Ti-TiAl-Ti层状复合材料。(3)拟合了利用Al-TiAl-Al及Ti-TiAl-Ti层状复合材料中反应层生长的动力学模型,由该模型可知,Al-TiAl-Al反应层的生长活化能Q≈7.32×106J?mol-1、新相生长速率K0≈1.80×109μmn·h-1,Ti-TiAl-Ti中反应层的生长活化能Q≈1.42×105J?mol-1、新相生长速率K0≈3.34×109μmn·h-1。(4)相较于直接利用纯Ti和纯Al反应制备Ti-Al层状复合材料,利用Ti基非晶和纯Al及Al基非晶和纯Ti反应时,后者中TiAl金属间化合物反应层的生长速率均高于前者,同时反应层生长活化能均低于前者,表明热压过程中非晶材料晶化所释放出的热量确实促进了TiAl金属间化合物反应层的生长,起到了活化作用,一定程度上提高了该层状复合材料的制备效率。(5)Al-TiAl-Al层状复合材料室温拉伸条件下的屈服强度为220MPa、抗拉强度为850MPa,断裂应变达35.9%,综合力学性能较好。拉伸应力-应变曲线出现锯齿形态,表明复合材料中各层并未同时断裂,各层断裂次序应为:TiAl金属间化合物层、Al层及晶化后的Ti基非晶层。该材料断口中出现大量韧窝,表明其以韧性模式断裂,即相较于TiAl金属间化合物具有更好的塑韧性。
【图文】：

华北电力大学硕士学位论文第 2 章 非晶材料的制备所谓非晶态是指急冷凝固过程使金属来不及结晶，原子排列保持液态金属的无序状态。通常采用大约 105~106K/s 的冷却速度使液态金属以大于临界冷度急速冷却，实现快速凝固，使结晶过程受阻而形成非晶态。凝固潜热及导决定着凝固速率。凝固厚度越大，其内部热阻也就越大，从而导致凝固速率。因此快速凝固只能在小尺寸试件中实现，如非晶薄带、非晶丝和薄膜等。非晶薄带的方法有很多种，例如快淬法、单辊法、双辊法等。本文采用的是快淬单辊法制备钛基非晶和铝基非晶薄带。采用的真空熔炼炉淬单辊炉如图 2-1 和图 2-2 所示。单辊感应式熔炼甩带系统，主要通过高速熔化金属制备非晶合金薄带，由快淬系统、真空系统和电源系统三部分组成。可达 55m/s。

华北电力大学硕士学位论文第 2 章 非晶材料的制备所谓非晶态是指急冷凝固过程使金属来不及结晶，原子排列保持液态金属的无序状态。通常采用大约 105~106K/s 的冷却速度使液态金属以大于临界冷度急速冷却，实现快速凝固，使结晶过程受阻而形成非晶态。凝固潜热及导决定着凝固速率。凝固厚度越大，其内部热阻也就越大，，从而导致凝固速率。因此快速凝固只能在小尺寸试件中实现，如非晶薄带、非晶丝和薄膜等。非晶薄带的方法有很多种，例如快淬法、单辊法、双辊法等。本文采用的是快淬单辊法制备钛基非晶和铝基非晶薄带。采用的真空熔炼炉淬单辊炉如图 2-1 和图 2-2 所示。单辊感应式熔炼甩带系统，主要通过高速熔化金属制备非晶合金薄带，由快淬系统、真空系统和电源系统三部分组成。可达 55m/s。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB331

【参考文献】

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本文编号：2528034