Ti-Ni系金属间化合物基叠层复合材料的制备、表征及力学行为研究

发布时间：2020-07-19 12:02

【摘要】：叠层复合材料是人们在研究贝壳珍珠层微结构和强韧化机理的基础上而提出的一种新型复合材料。其中,金属间化合物与韧性金属或合金交替排列的叠层复合材料既具备金属间化合物的高硬度、高刚度的特点又具有韧性相高韧、高塑性的优点,被认为是在装甲防护领域极具应用前景的一类复合材料。为满足新一代装甲防护材料的需求,本文首次在Ti-Ni系中以纯Ti箔和Ni箔为原始反应材料,采用热压烧结技术来制备以TiNi为增强、增韧相的Ti_2Ni/TiNi和Ni_3Ti/TiNi两类叠层复合材料,并系统研究了两类叠层复合材料的形成过程、微结构演变及其在不同加载条件下的力学响应。主要研究成果如下:在热压烧结过程前期,通过扩散反应,Ni_3Ti和Ti_2Ni两种金属间化合物优先在Ti/Ni界面处形核、长大。随后,TiNi在Ni_3Ti/Ti_2Ni界面处形核,并通过消耗Ni_3Ti和Ti_2Ni两相而生长。在Ti箔和Ni箔未完全消耗时,三种金属间化合物的厚度均呈抛物线增长模式。当原始反应层Ti/Ni原子比在1~2时,Ni、Ni_3Ti和Ti扩散反应过程中逐渐消失,最终生成Ti_2Ni/TiNi叠层复合材料;当原始反应层Ti/Ni原子比在0.33~1时,Ti、Ti_2Ni和Ni在扩散反应过程中逐渐消失,最终形成Ni_3Ti/TiNi叠层复合材料。制备Ti_2Ni/TiNi叠层复合材料过程中,Ni_3Ti未完全消耗之前,或制备Ni_3Ti/TiNi叠层复合材料过程中,Ti_2Ni未完全消耗之前,形成的各种过渡型叠层复合材料中TiNi层均存在B2和B19’两种晶体结构。而在最终制备的Ti_2Ni/TiNi和Ni_3Ti/TiNi叠层复合材料中,TiNi层分别为单一的B19’和B2晶体结构。Ti_2Ni及Ni_3Ti在制备过程中晶体结构稳定。Ti_2Ni/TiNi叠层复合材料中TiNi层中仅有Ti_2Ni析出物;Ni_3Ti/TiNi叠层复合材料中TiNi层中析出物主要为具有不同形貌的Ni_4Ti_3,同时也存在少量的Ni_3Ti和Ti_2Ni。叠层复合材料的相变行为与叠层中TiNi的晶体结构及其内部的析出物类型密切相关。在制备Ti_2Ni/TiNi和Ni_3Ti/TiNi叠层复合材料过程中,形成的一系列过渡型叠层复合材料的力学性能和断裂机制与叠层中各相的类型、厚度、强度和塑性有很大关系。在拉伸时,叠层中韧性相能有效抑制脆性相裂纹的快速扩展,脆性相通过产生横向裂纹、倾斜裂纹及分层等方式与韧性相协调变形,提高了叠层复合材料的拉伸性能。通过调整原始反应层Ti箔和Ni箔的厚度,可以制备出不同TiNi含量的Ti_2Ni/TiNi和Ni_3Ti/TiNi两类叠层复合材料。Ti_2Ni/TiNi叠层复合材料在垂直和平行于叠层方向上的压缩强度和塑性均随TiNi含量的增加而提高,且均表现出优异的压缩性能。在垂直于叠层方向压缩时,剪切变形是其主要断裂机制;在平行于叠层方向压缩时,其失效机制为TiNi局域剪切及Ti_2Ni层内分裂。Ni_3Ti/TiNi叠层复合材料垂直于叠层方向的压缩性能明显优于平行于叠层方向的压缩性能。在平行于叠层方向压缩时,Ni_3Ti层内较低的结合强度使Ni_3Ti极易发生层内分离,导致Ni_3Ti/TiNi叠层复合材料在此方向较差的压缩性能。在AO方向(Arrester Orientation),Ti_2Ni/TiNi和Ni_3Ti/TiNi两类叠层复合材料的增韧机理不同,但均显示出较高的断裂韧性。TiNi层对裂纹的偏转及“桥联”使得Ti_2Ni/TiNi叠层复合材料的断裂韧性较高。而与之不同,Ni_3Ti/TiNi叠层复合材料具有较高断裂韧性的原因是:Ni_3Ti层内分层导致的主裂纹偏转以及TiNi层较高的强度和塑性。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB33;TJ04

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本文编号：2762394