Al-Ti-Zr金属间化合物的制备及性能研究

发布时间：2020-07-23 04:17

【摘要】：本文以TiH_2粉,ZrH_2粉,Al粉为原料,采用1400-1450℃×40.8 MPa×0.5-1h的热压工艺,制备Al-Zr二元合金及Al-Ti-Zr三元合金。对Al-Zr二元合金及Al-Ti-Zr三元合金的物相组成、显微组织、维氏硬度及抗弯强度进行测定,并对Al-Ti-Zr三元合金的稳定化热处理性能及氧化性能进行了初步研究。在Al-Zr二元合金样品中,样品的原位合成反应成功进行,设计成分为Al-25at.%Zr的AZ1-0样品只含有Al_3Zr相,设计成分为Al-33.3at.%Zr的AZ0-1样品只含有Al_2Zr相,而设计成分分别为Al-25.8at.%Zr和Al-26.6at.%Zr的AZ9-1样品和AZ8-2样品都含有Al_3Zr及Al_2Zr相,部分Al_2Zr细颗粒分布在Al_3Zr相的晶界,有效的抑制了晶粒的长大。维氏硬度值随着Al_2Zr相的体积比增加而增加;断裂韧度则与维氏硬度相反,Al_2Zr相所占体积比越高,断裂韧度越低。Al-Zr二元合金样品的抗弯强度都在100 MPa左右,且断裂模式为穿晶断裂。设计成分分别为Al-40at.%Ti-20at.%Zr、Al-45at.%Ti-14at.%Zr、Al-47at.%Ti-10at.%Zr的Al40,Al41及Al43样品包含Ti_3Al+TiAl+Al_3(Zr,Ti)_5相,Ti_3Al+TiAl相的比例从Al40,Al41到Al43样品依次增加;设计成分分别为Al-38at.%Ti-15at.%Zr、Al-30at.%Ti-20at.%Zr的Al47及Al50样品包含TiAl+(Al,Ti)_2Zr+Al_3(Zr,Ti)_5相,而设计成分为Al-35at.%Ti-11at.%Zr的Al54样品,则包含TiAl+(Al,Ti)_2Zr相。除了Ti_3Al+TiAl层片组织外,Ti_2Al+TiAl及Ti(Zr)Al+Al_3(Zr,Ti)_5层片组织在Al-Ti-Zr三元合金中被发现,而Al-Zr金属间化合物主要以块状的形式存在于三元合金的组织中。力学性能研究表明:在所研究的Al-Ti-Zr三元合金中,维氏硬度随着Al-Zr金属间化合物比例的增加而增加;断裂韧度及抗弯强度随Ti_3Al+TiAl层片组织的比例的增加而增加,层片组织对裂纹的扩展产生偏转作用,从而对提高三元合金的断裂韧度起到了较大的作用。同时,断裂时的层间断裂对抗弯强度的提高也起到了较大作用。该合金的断裂模式穿晶断裂,当裂纹遇到层片组织时,发生裂纹偏转,形成裂纹扩展台阶,提高了裂纹扩展的能量消耗,有利于提高合金的断裂韧度与抗弯强度。其中具有较好综合性能的Al41合金的维氏硬度、断裂韧度和三点弯曲强度分别为568±38 HV、5.2±0.6 MPa.m~(1/2)和369±9 MPa。700~800℃的热稳定化处理对提高合金组织的稳定性、力学性能和细化组织有利。经过800℃×32h稳定化热处理后,Al41合金的维氏硬度、断裂韧度和抗弯强度强度,分别达到606±36 HV、6.6±0.4 MPa.m~(1/2)和510±20 MPa,相比于稳定化处理前分别提高了6.7%、26.9%和38.2%。Al41样品在700~800℃时抗氧化性较好,900℃及1000℃的抗氧化性较差,且不同的氧化物之间存在的热膨胀系数差会导致冷却过程中氧化物发生剥落;合金适宜在800℃的温度下使用。提出了Al41合金的氧化模型:即氧化初期,合金中裸露在表面的Ti_3Al和TiAl相,首先与空气中的O反应,形成TiO_2和Al_2O_3氧化膜,由于TiO_2的生长速度快,而且氧化膜疏松,因此TiO_2氧化膜不断增厚,并处于氧化膜的最外层;而Al_3(Zr,Ti)_5相表面形成了Al_2O_3、ZrO_2和少量TiO_2组成的较为致密的氧化膜,氧化膜阻碍了合金中原子的向外扩散以及O的往内扩散,使得氧化膜增厚较为缓慢。高温长时间氧化后,相邻Ti_3Al和TiAl相形成的TiO_2氧化膜,向外扩张,并最终铺满整个表面。因此,合金中较高的Al和Zr含量有利于提高合金的抗氧化性能。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21

【参考文献】