Ti基复合粉体的制备与电子束表面熔覆技术研究

发布时间：2020-05-15 13:47

【摘要】：颗粒增强钛基复合材料(PTMCs)因其力学性能各向同性和优异的抗高温氧化与耐磨性能而被广泛应用于军民各个领域。但是由于其加工性能差,近年来粉末冶金、高能束(电弧、激光、电子束等)沉积等近净成形方法备受青睐,其中,制备增强颗粒均匀分布的PTMCs得到了较大关注。基于此,本文从原材料粉体入手,采用机械合金化(MA)法原位合成增强颗粒均匀分布的Ti基复合粉体,并研究了其在电子束下所形成复合涂层的组织和性能。本文在广泛查阅相关文献及初步实验探索的基础上,确定了集复合粉体工艺参数和形成机理研究-复合粉体过渡层抗“溃散”性分析-电子束熔覆复合涂层为一体的研究方案。主要开展了以下几方面工作:(1)以Ti粉和石墨粉为原料,研究了MA法制备TiC/Ti复合粉体的MA装置、球磨转速、球料比、球磨时间等因素对复合粉体物相形貌的影响并分析了其形成机理;确定了MA装置为德国Pulverisette-6行星球磨机,且其最佳工艺参数为300rpm球磨转速、20:1球料比和15h球磨时间;复合粉体在形成过程中反复经历着冷焊和断裂,产生了大量缺陷且原子间扩散距离减小,使得纳米TiC的合成可以在室温下进行,球磨时间达到10h时纳米TiC已明显生成(即已稳定形成TiC/Ti复合粉体),15h时复合粉体粒径趋于稳定的2μm左右,且纳米TiC均匀分布在复合粉体中。(2)采用已探索的理想工艺,在纯Ti基体表面制备出了TiC/Ti复合粉体过渡层,并研究了不同球磨时间下,复合粉体过渡层的形成机理及其抗“溃散”性,发现球磨时间达到15h时,复合粉体过渡层厚度达到了40μm左右的最大值,且过渡层中含有大量TiC/Ti复合粉体并与Ti基体结合紧密,通过称重法确定其“吹粉”率只有13.2%左右。(3)对上述制备的TiC/Ti复合粉体过渡层进行不同扫描速度下的电子束熔覆实验,研究了TiC/Ti复合涂层物相组织结构及硬度、弹性模量、摩擦磨损性能等的变化规律;当扫描速度为5mm/s时涂层中TiC主要以粗大的树枝状晶存在,扫描速度增加至10mm/s和15mm/s时TiC以短棒状和等轴状弥散分布在基体中;当扫描速度为15mm/s时TiC/Ti复合涂层性能达到最优值,硬度为8.29GPa、弹性模量为135.2GPa、摩擦系数为0.48左右;TiC粒径越小分布越弥散,其硬度、弹性模量越高,耐磨性能越好。以上研究结果为后续电子束增材制造TiC/Ti复合材料奠定了理论与应用基础。
【图文】：

分布图,球磨时间,颗粒尺寸,形貌

图 1.1 颗粒尺寸及形貌随球磨时间分布图反应一个典型的特点是它们在反应物相互接触的区域形成产物，的原子扩散穿过已经生成的产物，因此已经生成的产物就形成了所以温度的升高会加速参与反应的原子互相扩散，保证了一般固则可以大幅度提高固相反应速率，因为粉体颗粒反复的冷焊和断之间的接触面积，同时不断暴露出新鲜的表面，这就避免了固相产物的过程，此外，在 MA 中严重的塑性变形会被引入颗粒中，，度，在颗粒中存在着大量的晶体缺陷，这些缺陷加快了元素之间构降低了扩散距离[38]。由于上述的原因，使得需要极高温度才能在室温下进行。的选择为钛基复合材料中提高其性能的关键，其种类的选择至关重要，：高硬度刚度、好的化学稳定性、增强相与钛及其合金的物理和应用的过程中，化学稳定性好及增强相与基体相容性好至关重要

晶体结构,粉体

图 1.2 TiC 晶体结构图体研究现状金化法制备 Ti 基复合粉体的研究主要集中在选取不同颗粒。一种是外加法，即直接将增强颗粒和基体粉体的不断撞击，将增强颗粒物理挤压入基体粉体中。另粒选取相应的纯元素粉体或者含有相应元素的合金/陶，在钛及其合金粉体中直接原位反应合成增强物质。idar 等[42]以 40μm 的 Ti 粉和 2μm 的 Y2O3颗粒制备了钛0nm 左右，并且还有很高体积分数的晶界。在机械合金形成了包含有较高位错密度的剪切带。Y2O3沿着晶界后形成了非晶相复合材料。用 MA 法制备了 Si 含量为 13.5at.%的 Ti 基复合粉体，行了详细的研究。结果显示，随着球磨时间的增加 T在 5nm 和 15nm。Ti-Si 粉末主要为纳米晶体并残余有
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4

【参考文献】