第三元素摻雜原位合成Al2O3-TiAl復合材料的研究.pdf

1、TiAl金屬間化合物是一類輕質(zhì)的高溫結(jié)構(gòu)材料，在700℃以上具有高強度、良好的抗氧化性和抗蠕變性等特性，其潛在的應用前景是非常廣闊的。然而，影響其實際應用的最大障礙就是室溫塑韌性低、加工性能差。因此，不能同時兼具優(yōu)良的高溫強度與室溫韌性等優(yōu)點。目前，其室溫強韌化是這類材料研究的關鍵。
　　 結(jié)合國內(nèi)外TiAl及其復合材料的最新研究進展，充分利用復合技術(shù)和合金化的思路。原位反應使得基體與增強相結(jié)合良好、界面干凈，合金化有利于改善兩

2、者潤濕性，提高其空間分布的均勻性，有效地改善TiAl基體的室溫強度和韌性。因此本課題采用原位熱壓技術(shù)，在Ti-Al-TiO2基礎體系上，分別摻雜了金屬氧化物V2O5、MnO2和NiO，通過Al與摻雜劑之間的鋁熱反應同時引入增強相Al2O3和相應的合金化元素，合成了含有第三元素摻雜的Al2O3/TiAl復合材料。借助示差掃描量熱儀(DSC)、X射線衍射儀(XRD)、能譜色散譜儀(EDS)和掃描電子顯微鏡(SEM)等儀器，表征了不同摻雜劑對

3、復合材料反應機理、物相組成、微觀組織的影響;同時對其斷裂韌性、抗彎強度等力學性能進行了測試，討論了摻雜復合材料的強韌化機理。
　　 XRD研究結(jié)果表明:不同體系下，在1300℃保溫2h成功地原位合成了Al2O3/TiAl復合材料，不同摻雜劑基本上都具有固溶強化與析出強化的作用，改變了α2-Ti3Al/γ-TiAl的相對比例。對于Ti-Al-TiO2-V2O5體系，在1300℃下的熱壓試樣由γ-TiAl、α2-Ti3Al、Al2O

4、3與少量V3Al組成;對于Ti-Al-TiO2-MnO2體系，燒結(jié)產(chǎn)物除了包含γ-TiAl、α2-Ti3Al、Al2O3外，還有少量的Al77.5Mn22.5;對于Ti-Al-TiO2-NiO體系，試樣最終包含γ-TiAl、α2-Ti3Al、Al2O3與少量NiAl組成。
　　 結(jié)合DSC和XRD分析了Ti-Al-TiO2-NiO的反應過程，Ti-Al-TiO2和Al-NiO為對比體系。研究表明:Ti-Al-TiO2體系分別在6

5、89.4℃與869.3℃出現(xiàn)強烈的放熱峰。由于NiO的添加，稀釋了Ti-Al-TiO2體系，使得Ti-Al-TiO2-NiO體系放熱峰移向了689.6℃和925.7℃。同時，由于Ti-Al-TiO2放熱量大，導致Ti-Al-TiO2-NiO體系中Al和NiO的反應由原先的856.4℃提前到后來的808.6℃，這種現(xiàn)象與XRD檢測結(jié)果非常一致。Al2O3/TiAl復合材料的合成機理如下:首先Ti-Al和TiO2-Al之間反應依次生成金屬間

6、化合物TiAl3、TiAl和Ti3Al，在900℃附近剩余的Al與金屬氧化物（如TiO2、V2O5和MnO2）反應生成大量Al2O3。同時，合金化元素V、Mn、Ni生成，并固溶進入TiAl基體。當達到飽和固溶度時，剩余的合金化元素與Al發(fā)生反應，分別以V3Al，Al77.5Mn22.5以及NiAl的形式從基體中析出。
　　 微觀結(jié)構(gòu)分析指出:相對于未摻雜，適當?shù)膿诫s改變了強化相Al2O3與TiAl基體的潤濕性，彌散的Al2O3顆

7、粒均勻分布于TiAl晶界上，呈現(xiàn)準連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻礙了基體的長大，細化了基體晶粒尺寸。材料的斷裂機理為沿晶斷裂與穿晶斷裂混合模式，包括細小顆粒的拔出、細晶韌化、裂紋偏轉(zhuǎn)與橋聯(lián)、殘余應力場增韌等。另外，摻雜后的原位合成的Al2O3/TiAl試樣顯示出優(yōu)異的抗損傷能力。
　　 力學性能測試可得:隨著摻雜量的增大，試樣的密度、相對密度與維氏硬度幾乎一直增大;而抗彎強度與斷裂韌性呈先增大后減少的變化趨勢。分別摻雜3.5wt％V2O5、