TiAl基復(fù)合材料的原位反應(yīng)合成及其性能研究.pdf

1、TiAl金屬間化合物因具有低密度，較高的強(qiáng)度及剛度、較好的室溫及高溫力學(xué)性能而被認(rèn)為是航空業(yè)、汽車制造業(yè)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潛在的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。但是，室溫脆性及高溫強(qiáng)度不足嚴(yán)重限制了TiAl金屬間化合物的廣泛應(yīng)用。本研究采用第二相增強(qiáng)結(jié)合固溶強(qiáng)化提高TiAl金屬間化合物的綜合性能。
　　 本文采用原位反應(yīng)合成工藝，熱壓燒結(jié)輔助，分別制備了TiAl/Al2O3、TiAl/Ti2AlC及TiAl/Ti5Si3復(fù)合材料。采用X-射線衍射分析(

2、XRD)、差示掃描量熱分析(DSC)、掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)等方法來(lái)系統(tǒng)的研究了不同體系的物相組成及反應(yīng)過(guò)程，并研究了不同添加物含量對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、晶粒大小和力學(xué)性能的影響，同時(shí)對(duì)材料的斷裂機(jī)制及強(qiáng)韌化機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　 DSC結(jié)果表明:各系統(tǒng)的反應(yīng)均是經(jīng)過(guò)多個(gè)中間反應(yīng)直至最后而完成的。Ti-Al體系的放熱反應(yīng)加速了Al與氧化物的反應(yīng)，同時(shí)放出大量的熱量;促進(jìn)Al-Nb2O5及Al-Cr2O3鋁熱反應(yīng)的

3、發(fā)生，置換出單質(zhì)Nb和Cr并釋放大量熱能，該熱能促進(jìn)了系統(tǒng)的整體反應(yīng)，從而降低了體系的反應(yīng)溫度，利于實(shí)現(xiàn)在較低溫度下燒結(jié)，且造成體系放熱峰前移。置換出的單質(zhì)開(kāi)始固溶于基體，而后與Al發(fā)生微合金化。而Ti-Al-C與Ti-Al-Si體系的反應(yīng)初期為T(mén)i-Al之間的固相反應(yīng)，而第三元素的添加活化了該反應(yīng)從而達(dá)到降低體系反應(yīng)溫度的目的。
　　 各體系均經(jīng)1300℃燒結(jié)后保溫2h，所合成產(chǎn)物的XRD測(cè)試顯示，Ti-Al-Nb2O5體系產(chǎn)

4、物由γ-TiAl，α2-Ti3Al，Al2O3以及少量的NbAl3相構(gòu)成。Ti-Al-Cr2O3體系產(chǎn)物由γ-TiAl，α2-Ti3Al，Al2O3以及少量的含Cr相構(gòu)成。Ti-Al-C與Ti-Al-Si體系的主要物相組成為γ-TiAl，α2-Ti3Al及增強(qiáng)相(Ti2AlC/Ti5Si3)。微觀結(jié)構(gòu)分析表明:隨各增強(qiáng)相含量的增大，顆粒逐漸增多，呈細(xì)小彌散分布且主要位于基體的晶界處，阻礙基體的長(zhǎng)大，使基體晶粒尺寸減小。當(dāng)添加量超過(guò)最佳含

5、量時(shí)，第二增強(qiáng)相陶瓷顆粒存在一定的團(tuán)聚。
　　 物理及機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果表明:隨著增強(qiáng)相含量的增大，產(chǎn)物的密度和維氏硬度也隨之增大;而抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性呈峰值變化，當(dāng)Cr2O3加入量為4.47wt％時(shí)，Al2O3顆粒的平均尺寸小于2μm，(Ti，Cr)Al/Al2O3復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性達(dá)到最大值634MPa和9.78MPa·m1/2;Nb2O5摻雜量為6.62wt.％時(shí)，TiAl/Al2O3復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性達(dá)到