机械合金化冷压烧结制备Ti-8Si-xCu合金组织与性能的基础研究

发布时间：2020-06-12 01:45

【摘要】：本文采用“机械合金化-冷压成形-真空烧结”技术制备了Ti-8Si、Ti-7.6Si-5Cu、Ti-7.2Si-10Cu、Ti-6.4Si-20Cu四种合金(wt.%),并对其微观组织、力学性能、抗氧化性、耐腐蚀性及摩擦磨损性能进行了研究。所开展的工作及取得的创新成果如下:(1)对比分析了四种配方混合粉末及烧结合金的微观组织、相组成与显气孔率。结果表明:经48h高能球磨,单质元素混合粉末均取得一定程度的细化与机械合金化效果;混合粉末中含有钛硅化合物TiSi、TiSi2,添加Cu元素后生成了CuSiTi、Ti2C u3、Cu5Si及Ti(C u)固溶体;经烧结,粉末中钛硅化合物向Ti5Si3稳定相转化,且Cu的加入促进了合金化效果,形成大量Cux Tiy、CuSiTi、C ux Siy化合物;合金表面组织均匀分布,其中Ti-7.6Si-5Cu合金表面质量最高;四种材料的显气孔率分别为5.84%、0.14%、7.56%、11.89%,且孔隙尺寸较小。(2)对比分析了四种合金的显微硬度、弹性模量及断裂韧性。结果表明:添加Cu有利于提高Ti-8Si合金的显微硬度,四种合金的显微硬度值分别为1021.5 HV、1434.4 HV、1180.9 HV、1171.9 HV,其中Ti-7.6Si-5Cu显微硬度最高;弹性模量分别68.93 GPa、84.77 GPa、65.68 GPa、71.87 GPa,其中Ti-7.6Si-5Cu弹性模量最大;断裂韧性分别为4.56 MPa?m1/2,4.59 MPa?m1/2,5.09 MPa?m1/2,5.41MPa?m1/2,随Cu含量增加而增大。(3)对比分析了四种合金在800℃温度下的氧化行为。结果表明:Ti-8Si合金表面氧化产物主要为金红石型TiO2,氧化膜由外向内分别为TiO2氧化层、TiO2/SiO2复合氧化层,厚度约为19.73μm;Ti-7.6Si-5Cu合金表面氧化产物主要为金红石型TiO2与Cu的氧化物,氧化膜自外向内分别为TiO2/Cu的氧化物复合氧化层、TiO2/SiO2复合氧化层,厚度约为15.91μm;Ti-8Si与Ti-7.6Si-5C u合金的氧化动力学曲线分别符合抛物线-直线规律和抛物线规律,平均氧化速度分别为0.35 g?m-2?h-1和0.19 g?m-2?h-1,均达到抗氧化级别,对比可知,Ti-7.6Si-5Cu合金的抗氧化性能更好;而Ti-7.2Si-10Cu、Ti-6.4Si-20Cu两种合金在氧化实验(100 h)未结束时便“炸裂”,不具备800℃下的抗氧化性能。(4)对比分析了常温下四种合金在1 mol/L的HCl溶液中浸泡100 h的腐蚀行为。结果表明:Ti-8Si与Ti-7.6Si-5Cu合金腐蚀后出现轻微失重,表面组织清晰,平均腐蚀深度分别为15μm、8μm;Ti-7.2Si-10Cu与Ti-6.4Si-20Cu合金失重现象比较严重,表面出现大量腐蚀产物及剥落坑,尤其是Ti-6.4Si-20Cu合金,表层腐蚀产物脱落现象严重,两者平均腐蚀深度分别为35μm、100μm以上。对比发现,Ti-7.6Si-5Cu合金的抗盐酸腐蚀性能最好。(5)对比分析了干摩擦条件下四种合金的摩擦磨损性能。结果表明:四种合金的摩擦系数分别为0.3651、0.6068、0.6107、0.6208;Ti-8Si、Ti-7.2Si-10Cu、Ti-6.4Si-20Cu三种合金磨痕宽度分别为0.4057 mm、0.3859 mm、0.5509 mm,磨损体积分别为0.0262 mm3、0.0226 mm3、0.0657 mm3,表面磨损程度较重,均出现大面积层片状磨屑、裂纹及剥落坑,磨损形式主要为疲劳磨损和氧化磨损,并辅以一定程度的磨粒磨损与粘着磨损;Ti-7.6Si-5Cu合金的磨痕宽度为0.3315 mm,磨损体积为0.0143 mm3,磨损程度较轻,未出现剥落或裂纹等现象,其磨损形式以磨粒磨损和粘着磨损为主,并伴随轻微的氧化磨损。对比发现,Ti-7.6Si-5Cu合金的摩擦磨损性能最好。本文研究首次发现,添加适量的Cu能够显著提高Ti-8Si合金的致密度、力学性能、抗氧化性、耐蚀性及耐磨性能。在本文制备的四种合金中,Ti-7.6Si-5Cu合金的综合性能较好,为研制新型材料提供了科学依据。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TF125.22

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