陶瓷相增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料的研究.pdf

1、TiAl金屬間化合物因其具有低密度、高比強(qiáng)度、高彈性模量、良好的抗蠕變以及抗氧化能力等優(yōu)異的特性，有望廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源及汽車的高溫結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域。然而，室溫脆性仍然是其實(shí)用化的主要障礙。已有的研究表明，引入陶瓷（顆粒、纖維）增強(qiáng)相，獲得TiAl基復(fù)合材料是改善該材料力學(xué)性能的有效途徑之一。為此，本文分別利用Al-Ti-Al2O3w、Al-Ti-C、Al-Ti-B以及稀土氧化物摻雜的Al-Ti-C-Y2O3、Al-Ti-B-Y2O

2、3體系，采用輔助壓力放熱彌散法（pressure-assisted exothermic dispersion，PAXD）制備出不同陶瓷相的一系列TiAl基復(fù)合材料，以求達(dá)到改善力學(xué)性能的目的。
　　 論文主要研究了三個(gè)方面的內(nèi)容：第一，采用機(jī)械合金化法，對金屬單質(zhì)Ti粉和Al粉按比例進(jìn)行高能球磨，并外加Al2O3晶須，利用熱壓燒結(jié)制備了Al2O3w/Ti-Al基復(fù)合材料；第二，利用Al-Ti-C體系的放熱反應(yīng)，原位合成Ti2A

3、lC/TiAl復(fù)合材料，同時(shí)探討了Y2O3摻雜對該體系合成TiAl基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響；第三，利用Al-Ti-B體系的放熱反應(yīng)，原位合成TiB/TiAl基復(fù)合材料，并分析稀土氧化物Y2O3摻雜對Al-Ti-B體系合成TiAl基復(fù)合材料顯微組織與力學(xué)性能的影響。
　　 研究結(jié)果表明：采用Al2O3晶須增強(qiáng)TiAl基復(fù)合材料。隨著球磨時(shí)間的延長，起始組分粒徑逐漸細(xì)化，甚至非晶化，增加了粉料表面能，提高了燒結(jié)推動力；同

4、時(shí)，晶粒細(xì)化，致密度提高，使材料各方面性能都有了顯著的提高。隨著晶須加入量的增加，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度得到顯著提高，當(dāng)加入量為10wt％Al2O3晶須，其硬度值最高；對于球磨2h的復(fù)合材料，其斷裂韌性有所提高，但對于球磨30h的復(fù)合材料，其斷裂韌性卻有下降的趨勢，然而綜合性能都優(yōu)于球磨2h的復(fù)合材料；采用外加纖維增強(qiáng)的方法，工藝較為復(fù)雜，成本也較高；此外，長時(shí)間的高能球磨往往會引入雜質(zhì)，降低材料性能。
　　 在Al-Ti-C體系中

5、，原位合成了Ti2AlC/TiAl復(fù)合材料。從熱力學(xué)角度分析，可能生成的最終產(chǎn)物有TiC、Al4C3和TiAl3，但反應(yīng)卻向生成Ti2AlC的方向進(jìn)行；從動力學(xué)角度分析，TiC、Al4C3和TiAl3可能只是中間產(chǎn)物，所以通過控制動力學(xué)因素，可以獲得三元相Ti2AlC在TiAl基復(fù)合材料中的最佳含量。反應(yīng)初期，主要是Ti與Al的反應(yīng)形成金屬間化合物，放出的熱量使系統(tǒng)溫度升高；在1026℃左右，引發(fā)Ti與C之間的自蔓延反應(yīng)，TiC生成，使

6、系統(tǒng)溫度進(jìn)一步升高；同時(shí)，TiC溶解在TiAl基熔體中，通過保溫析出三元相Ti2AlC，其機(jī)制可歸結(jié)為溶解-析出機(jī)制。其增強(qiáng)相為Ti2AlC，并有微量的Ti3AlC生成，基體相為TiAl。三元層狀Ti2AlC的生成，細(xì)化了TiAl基體晶粒，其層狀結(jié)構(gòu)阻止了裂紋擴(kuò)展，同時(shí)，殘余應(yīng)力也有效強(qiáng)化復(fù)合材料。力學(xué)性能測試表明，該材料具有優(yōu)良的機(jī)械性能，其抗彎強(qiáng)度可達(dá)743.84MPa，斷裂韌性可達(dá)9.17MPa·m1/2。
　　 在Al-

7、Ti-C-Y2O3體系中，Y2O3的摻雜改變了該復(fù)合材料增強(qiáng)相組成，使其由摻雜前的Ri2AlC相轉(zhuǎn)變?yōu)門iC相為主，并有少量Y3Al5O12（釔鋁石榴石）脆性相的存在。增強(qiáng)相的變化使該材料微觀結(jié)構(gòu)及斷裂方式發(fā)生改變，Ti2AlC/TiAl復(fù)合材料以穿晶解理斷裂為主，而TiC/TiAl復(fù)合材料則以沿晶斷裂為主。脆性相Y3Al5O12含量的增加對該復(fù)合材料的室溫力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。
　　 在Al-Ti-B體系中，原位合成了TiB/

8、TiAl復(fù)合材料。研究表明，增強(qiáng)相TiB主要以顆粒狀、板狀及細(xì)棒狀均勻分布在基體中，其尺寸范圍為亞微米級，且界面干凈、無污染。盡管熱力學(xué)上TiB2較TiB更易于生成，但從動力學(xué)（原料配比，擴(kuò)散及生長速率等）分析，TiB2可能只是中間產(chǎn)物而已；無論從熱力學(xué)還是從動力學(xué)分析，AlB2都是不穩(wěn)定相，易于分解。該體系反應(yīng)初期，Al首先受熱熔化使得Ti和B相繼溶解于Al液中；Ti與Al之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成Ti-Al金屬間化合物，在此期間，也伴隨A

9、lB2的合成與分解。隨著系統(tǒng)溫度的升高引發(fā)了溶解于液相中的B和Ti產(chǎn)生高溫自蔓延形成Ti-B化合物。通過保溫階段，TiB2完全轉(zhuǎn)化為TiB。該TiB/TiAl復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度及斷裂韌性較二元的TiAl金屬間化合物有很大的提高，主要強(qiáng)化機(jī)制有：彌散強(qiáng)化、熱膨脹合理失配強(qiáng)化機(jī)制、晶須（晶棒）強(qiáng)化。
　　 在Ti-Al-B-Y2O3體系中，反應(yīng)產(chǎn)物的相組成，基體為Ti3Al和TiAl相，增強(qiáng)相為TiB，并有微量的YAl3（BO3）4