周期性钛合金层强韧化TiAl基叠层复合板材的结构及力学性能研究
发布时间：2021-03-19 14:23
TiAl基合金由于具有低密度、高熔点、高比强度和优异的抗氧化能力等优点,有望取代镍基高温合金应用于航空航天、汽车工业等领域。但是,由于TiAl金属间化合物固有的本征脆性,加工性能差,从而限制了其应用发展。有效协调和平衡TiAl基合金强度和韧塑性之间的矛盾,实现强度和韧塑性协同提高,是推动并拓宽其应用的关键。受贝壳多尺度、多级次结构的启发,通过仿生结构设计成为提高TiAl基合金性能的有效途径。本文基于复合化技术和仿生结构设计理念,以Ti2AlC为增强相、钛合金箔（Ti-6Al-4V）为韧化层,采用放电等离子烧结技术制备TC4/Ti2AlC-TiAl基叠层复合板材,围绕复合板材的相组成、界面层结构及组成、叠层结构、裂纹扩展特征、断口形貌和室温力学性能等进行了研究,揭示了叠层复合板材的强韧化机理,形成了叠层复合板材的制备技术原型。叠层结构复合板材复合层主要由Ti2AlC、α2-Ti3Al、γ-TiAl和少量的TiC相组成。叠层结构特征明显,复合层和增韧层的界面反应产物为Ti...
【文章来源】：陕西理工大学陕西省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Ti-Al二元相图[15]
-6-端钝化、裂纹偏转等现象，进而达到复合材料增韧保强的目的。通常被用于与增强复合材料的颗粒有碳化物（Ti3AlC2、Ti2AlC）、氮化物（Ti2AlN）、氧化物（Al2O3）、碳化物（SiC、Ti3SiC2）等[16]。近几年，三元碳化物Ti2AlC因具有陶瓷和金属的双重优异性能，成为研究的热点。Ti2AlC属于六方晶系，空间群为P63/mmc，晶格常数为a=0.307nm，c=1.769nm。在研究Ti2Al的结构时，发现Ti2AlC为典型的层状结构，每6个Ti原子结合1个C原子形成一个[Ti6C]八面体结构，[Ti6C]八面体的中心为C原子，结合Al原子依次交替在c轴上进行排列，如图1-2所示[17]。在整个Ti2AlC结构中，其中Ti-Ti键为金属键结合方式，Ti-C较强的共价键和离子键，Ti-Al键为较弱的共价键和金属键连接，而且在目前的研究中没有发现Al-C键。其中Ti-Al较弱的金属键使Ti2AlC可以具有良好的导热、导电性，较弱的共价键容易产生滑移现象，使Ti2AlC具有较好的塑性和各向异性；Ti-C强共价键可以使Ti2AlC具有高强度、高弹性模量等优异的力学性能。而且通过已知的研究发现两个Ti2AlC分子形成一个晶胞单元[18]。图1-2Ti2AlC晶体结构(a)和部分原子计算模型(b)[17]Fig.1-2CrystalstructureofTi2AlC(a)andatomiccomputationmodel(b)[17]Ti2AlC的热膨胀系数为8.2±0.2×10-6K-1[18]，从表1-1中可以查出TiAl基合金的热膨胀系数为11.5×10-6K-1，通过两组数据对比，Ti2AlC和TiAl基合金热膨胀系数差别并不是很大。Ti2AlC因为具有特殊结构，所以具有较好的物理性能，密度为4.1g·cm-3，室温下弯曲强度和断裂韧性分别为250MPa和9.8MPa·m1/2，虽然力学性能相比于其它
-16图2-1叠层结构工艺流程图Fig.2-1Stackedstructureprocessflowchart表2-3TiAl基叠层结构复合板材的制备工艺Table2-3PreparationprocessofTiAl-basedlaminatedcompositesheets增韧层数是否钻孔保温时间压力设置5否1100℃保温3min10MPa5是1150℃保温10min12.5MPa7否1150℃保温10min12.5MPa7是1150℃保温10min12.5MPa2.3TiAl基叠层结构复合板材的测试方法将烧结好的样品数控电火花切割机（EDM）切成国家标准和实验设计要求的尺寸。将切割好的样品进行仔细打磨抛光，砂纸为80目至2000目依次递增打磨，对打磨后的样品进行抛光处理，直至样品表面光滑干净，没有明显划痕和缺陷，以满足实验测试要求。2.3.1复合板材的相组成和组织结构测试（1）组织结构测试
【参考文献】：
期刊论文
[1]放电等离子烧结制备TC4/Tin+1AlCn-TiAl叠层结构复合材料的组织和性能[J]. 费岩晗,艾桃桃,袁新强,冯小明. 材料热处理学报. 2017(11)
[2]Ti3AlC2掺杂SPS法制备Ti2AlC/TiAl基复合材料的研究[J]. 王维,艾桃桃,费岩晗. 稀有金属材料与工程. 2017(S1)
[3]SPS法制备Ti2AlC/TiAl基复合材料的力学性能[J]. 艾桃桃,费岩晗,冯小明,余宁,于琦,李文虎,袁新强. 材料热处理学报. 2016(08)
[4]Ti2AlC/TiAl3复合材料的制备及其性能研究[J]. 苏慧娟,饶冰钵,王栋,王珊,鱼丽凡,李文龙,艾桃桃. 中国陶瓷. 2015(09)
[5]放电等离子烧结制备Ti/C叠层材料及其力学性能[J]. 李培培,龙文元,傅正义,徐升. 复合材料学报. 2012(06)
[6]TiAl合金显微组织细化[J]. 陈玉勇,孔凡涛. 金属学报. 2008(05)
[7]TiAl基复合材料的研究进展[J]. 黄旭,齐立春,李臻熙. 稀有金属材料与工程. 2006(11)
[8]原位自生氧化铝纤维增强TiAl金属间化合物的制备[J]. 王芬,范志康,吕臣敬. 稀有金属材料与工程. 2006(05)
[9]层状金属复合板的研究和生产现状[J]. 马志新,胡捷,李德富,李彦利. 稀有金属. 2003(06)
[10]可加工Ti2AlC陶瓷的研究进展[J]. 周卫兵,梅炳初,朱教群,陈艳林. 武汉理工大学学报. 2002(09)
硕士论文
[1]层状TiB2-TiAl复合材料板材制备与组织性能研究[D]. 方堃.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3089724
【文章来源】：陕西理工大学陕西省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Ti-Al二元相图[15]
-6-端钝化、裂纹偏转等现象，进而达到复合材料增韧保强的目的。通常被用于与增强复合材料的颗粒有碳化物（Ti3AlC2、Ti2AlC）、氮化物（Ti2AlN）、氧化物（Al2O3）、碳化物（SiC、Ti3SiC2）等[16]。近几年，三元碳化物Ti2AlC因具有陶瓷和金属的双重优异性能，成为研究的热点。Ti2AlC属于六方晶系，空间群为P63/mmc，晶格常数为a=0.307nm，c=1.769nm。在研究Ti2Al的结构时，发现Ti2AlC为典型的层状结构，每6个Ti原子结合1个C原子形成一个[Ti6C]八面体结构，[Ti6C]八面体的中心为C原子，结合Al原子依次交替在c轴上进行排列，如图1-2所示[17]。在整个Ti2AlC结构中，其中Ti-Ti键为金属键结合方式，Ti-C较强的共价键和离子键，Ti-Al键为较弱的共价键和金属键连接，而且在目前的研究中没有发现Al-C键。其中Ti-Al较弱的金属键使Ti2AlC可以具有良好的导热、导电性，较弱的共价键容易产生滑移现象，使Ti2AlC具有较好的塑性和各向异性；Ti-C强共价键可以使Ti2AlC具有高强度、高弹性模量等优异的力学性能。而且通过已知的研究发现两个Ti2AlC分子形成一个晶胞单元[18]。图1-2Ti2AlC晶体结构(a)和部分原子计算模型(b)[17]Fig.1-2CrystalstructureofTi2AlC(a)andatomiccomputationmodel(b)[17]Ti2AlC的热膨胀系数为8.2±0.2×10-6K-1[18]，从表1-1中可以查出TiAl基合金的热膨胀系数为11.5×10-6K-1，通过两组数据对比，Ti2AlC和TiAl基合金热膨胀系数差别并不是很大。Ti2AlC因为具有特殊结构，所以具有较好的物理性能，密度为4.1g·cm-3，室温下弯曲强度和断裂韧性分别为250MPa和9.8MPa·m1/2，虽然力学性能相比于其它
-16图2-1叠层结构工艺流程图Fig.2-1Stackedstructureprocessflowchart表2-3TiAl基叠层结构复合板材的制备工艺Table2-3PreparationprocessofTiAl-basedlaminatedcompositesheets增韧层数是否钻孔保温时间压力设置5否1100℃保温3min10MPa5是1150℃保温10min12.5MPa7否1150℃保温10min12.5MPa7是1150℃保温10min12.5MPa2.3TiAl基叠层结构复合板材的测试方法将烧结好的样品数控电火花切割机（EDM）切成国家标准和实验设计要求的尺寸。将切割好的样品进行仔细打磨抛光，砂纸为80目至2000目依次递增打磨，对打磨后的样品进行抛光处理，直至样品表面光滑干净，没有明显划痕和缺陷，以满足实验测试要求。2.3.1复合板材的相组成和组织结构测试（1）组织结构测试
【参考文献】：
期刊论文
[1]放电等离子烧结制备TC4/Tin+1AlCn-TiAl叠层结构复合材料的组织和性能[J]. 费岩晗,艾桃桃,袁新强,冯小明. 材料热处理学报. 2017(11)
[2]Ti3AlC2掺杂SPS法制备Ti2AlC/TiAl基复合材料的研究[J]. 王维,艾桃桃,费岩晗. 稀有金属材料与工程. 2017(S1)
[3]SPS法制备Ti2AlC/TiAl基复合材料的力学性能[J]. 艾桃桃,费岩晗,冯小明,余宁,于琦,李文虎,袁新强. 材料热处理学报. 2016(08)
[4]Ti2AlC/TiAl3复合材料的制备及其性能研究[J]. 苏慧娟,饶冰钵,王栋,王珊,鱼丽凡,李文龙,艾桃桃. 中国陶瓷. 2015(09)
[5]放电等离子烧结制备Ti/C叠层材料及其力学性能[J]. 李培培,龙文元,傅正义,徐升. 复合材料学报. 2012(06)
[6]TiAl合金显微组织细化[J]. 陈玉勇,孔凡涛. 金属学报. 2008(05)
[7]TiAl基复合材料的研究进展[J]. 黄旭,齐立春,李臻熙. 稀有金属材料与工程. 2006(11)
[8]原位自生氧化铝纤维增强TiAl金属间化合物的制备[J]. 王芬,范志康,吕臣敬. 稀有金属材料与工程. 2006(05)
[9]层状金属复合板的研究和生产现状[J]. 马志新,胡捷,李德富,李彦利. 稀有金属. 2003(06)
[10]可加工Ti2AlC陶瓷的研究进展[J]. 周卫兵,梅炳初,朱教群,陈艳林. 武汉理工大学学报. 2002(09)
硕士论文
[1]层状TiB2-TiAl复合材料板材制备与组织性能研究[D]. 方堃.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3089724
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