原位合成Ti5Si3基復(fù)合材料及其性能研究.pdf

1、本文以制備新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用材料為研究背景，采用真空熱壓方法，依據(jù)原位合成原理，制備單相Ti5Si3和石墨摻雜的Ti3SiC2/Ti5Si3復(fù)合材料。以吉布斯自由能原理為理論基礎(chǔ)，討論了Ti-Si-C三相體系反應(yīng)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，確定了本次實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)可行性。以Ti粉、Si粉、石墨粉為原料，采用真空熱壓工藝制備了單相Ti5Si3和Ti3 SiC2/Ti5Si3復(fù)合材料。對制備的單相Ti5Si3和Ti3SiC2/Ti5Si3復(fù)合材料進(jìn)行了X射線衍

2、射和能譜物相分析，確認(rèn)了生成的物相主要是基體相金屬間化合物Ti5Si3和條狀陶瓷強(qiáng)化相Ti3SiC2。通過材料的力學(xué)性能測試，相對于單相金屬間化合物Ti5Si3，摻雜石墨生成的Ti3SiC2/Ti5Si3復(fù)合材料具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能，其中摻雜石墨1.61wt.％的Ti3SiC2/Ti5Si3復(fù)合材料最為優(yōu)異，比單相的金屬間化合物Ti5Si3的斷裂韌性、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度分別提高了63.7%、59%和82%。制備的Ti5Si3和Ti3S

3、iC2/Ti5Si3復(fù)合材料的維氏顯微硬度均在1100kgf·mm-1/2左右，可見摻雜石墨對Ti5Si3的顯微硬度影響不大。摻雜石墨制備的Ti3SiC2/Ti5Si3復(fù)合材料具有更高的致密度，其中摻雜石墨2.52wt.%的Ti3SiC2/Ti5Si3復(fù)合材料致密度高達(dá)99.77％。使用掃描電鏡對Ti3SiC2/Ti5Si3復(fù)合材料進(jìn)行了表面形貌分析和斷口形貌觀察，結(jié)合力學(xué)性能測試，分析Ti5Si3基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理。摻雜石墨的Ti

4、3SiC2/Ti5Si3復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制主要包括第二相粒子強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化，致密度增大強(qiáng)化；韌化機(jī)制主要是橋聯(lián)韌化、拔出效應(yīng)韌化和裂紋偏轉(zhuǎn)韌化。
　　 本文通過高溫氧化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，制備的單相Ti5Si3和Ti3SiC2/Ti5Si3復(fù)合材料的氧化過程都受到原子擴(kuò)散控制，且單相Ti5Si3材料和摻雜石墨含量低于1.61wt%的Ti3SiC2/Ti5Si3復(fù)合材料的高溫氧化性能基本符合立方規(guī)律，摻雜石墨含量為2.52wt%的Ti3

5、SiC2/Ti5Si3復(fù)合材料基本符合拋物線規(guī)律，具有相對較差的抗氧化性能。單相Ti5Si3和Ti3SiC2/Ti5Si3復(fù)合材料的高溫氧化行為受到Ti、O等元素的擴(kuò)散控制。在高溫氧化過程中，Ti原子向材料表面擴(kuò)散，在材料表面與環(huán)境中的O原子形成TiO2氧化層，而Si原子在原有位置基本不發(fā)生移動(dòng)，環(huán)境中的O原子擴(kuò)散到材料內(nèi)部與Si原子形成致密的SiO2氧化層，從而在單相Ti5Si3和Ti3SiC2/Ti5Si3復(fù)合材料中形成雙層保護(hù)層，