層狀TiAlC32的燃燒合成及其性能研究.pdf

1、Ti AlC32是MAX化合物的典型一員，由于其具有低密度、高電導(dǎo)、高熱導(dǎo)、良好的抗熱震性能和可加工性等，因而在眾多領(lǐng)域有很大的潛在應(yīng)用。
　　本論文采用燃燒合成的方法制備了高純度的Ti AlC32，并對(duì)其燃燒合成機(jī)理、熱物性能、導(dǎo)電性能和抗循環(huán)氧化性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　紅外測溫儀測得Ti-Al-C體系燃燒合成最高溫度為1780°C，高于Al和Ti的熔點(diǎn)。對(duì)Ti-Al-C體系熱力學(xué)分析表明：在低溫區(qū)Ti3Al的生成趨勢

2、最大，而在高溫區(qū)TiC的生成趨勢最大。根據(jù)Ti-Al-C體系熱力學(xué)分析，淬熄區(qū)域的XRD、SEM/EDS和TEM分析結(jié)果，提出Ti AlC32的燃燒合成機(jī)理如下：Al首先在660°C發(fā)生熔化，隨后包覆到Ti顆粒的表面。Ti開始向液態(tài)Al中溶解，并且在界面處生成TiAlx金屬間化合物，并且釋放出大量的熱，引燃了自蔓延反應(yīng)。體系的溫度被進(jìn)一步提高，Ti顆粒和先前生成的TiAlx發(fā)生熔化，形成Ti-Al熔體并開始在C顆粒表面鋪展。碳元素開始溶

3、解到Ti-Al熔體中，并且開始形成TiC，TiC0.670.67的形成導(dǎo)致體系溫度進(jìn)一步提高并能達(dá)到最高溫度。當(dāng)體系溫度降低到1370°C時(shí)，TiC開始和液態(tài)的Al反應(yīng)生成Ti AlC。0.6732
　　本論文分別研究了坯體的致密度以及 Ti、Al和C粉末的初始配比對(duì)燃燒合成產(chǎn)物的物相組成的影響。結(jié)果表明前者對(duì)產(chǎn)物的物相組成影響很小，后者對(duì)產(chǎn)物的物相組成有較大影響。對(duì)合成產(chǎn)物在1100°C進(jìn)行2 h的熱處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)物相組成并沒有

4、發(fā)生明顯變化。
　　采用直流四端電極法測試了Ti AlC32在51~900°C電阻率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在該溫度區(qū)間內(nèi)，其電阻率隨溫度升高呈線性增加的關(guān)系，表現(xiàn)出與金屬相同的導(dǎo)電規(guī)律。
　　在200～1200°C范圍內(nèi)測試了Ti3 AlC2的線膨脹系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)平均值為9.3×10-6 K-1。對(duì)Ti AlC32在200～1200°C的熱導(dǎo)率研究發(fā)現(xiàn)，熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而增大，而且電子和聲子對(duì)Ti AlC的熱導(dǎo)均有貢獻(xiàn)。Ti AlC

5、3232在200～1200°C時(shí)的摩爾熱容隨著溫度的升高而變大。
　　通過對(duì)Ti AlC32在550～1300°C的40次抗循環(huán)氧性能的研究，發(fā)現(xiàn)在550和650°C存在反常氧化現(xiàn)象。在550和650°C，其循環(huán)氧化動(dòng)力學(xué)基本屬于直線加速型的；而在750～1300°C，其循環(huán)氧化動(dòng)力學(xué)屬于拋物線型。XRD和XPS結(jié)果表明：在550和650°C，氧化膜由銳鈦礦型和金紅石型TiO2以及非晶態(tài)Al O組成；在750～950°C，Ti A

6、lC表面氧化膜由α-Al O233223和銳鈦礦型TiO2。表面和截面形貌觀察均發(fā)現(xiàn)在550和650°C時(shí)形成的氧化膜疏松、表面充滿裂紋，并且與Ti AlC32基體結(jié)合處有裂紋存在；在750～1300°C時(shí)形成的氧化膜致密，無裂紋且和Ti AlC32基體結(jié)合良好。在1000和1100°C時(shí)，氧化膜包含外層非連續(xù)的銳鈦礦型TiO和內(nèi)層連續(xù)的α-Al O223；在1200°C時(shí)，氧化膜外層是非連續(xù)的Al TiO，中間層是TiO和α-Al O

7、25223的混合物，內(nèi)層為連續(xù)的α-Al O；在1300°C時(shí)，氧化膜的最外層為Al TiO，中間層為α-Al O232523和Al TiO的混合物，內(nèi)層為連續(xù)的α-Al O，并且像釘子一樣深深扎入Ti AlC252332基體，形成機(jī)械釘扎，大大提高了氧化膜和基體的界面強(qiáng)度。
　　利用XRD測試了Ti AlC32在1000°C經(jīng)歷5、20和40次循環(huán)氧化后，表面氧化膜中的殘余應(yīng)力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧化膜中存在壓應(yīng)力，分別為0.82，0.6

8、5和0.49 GPa。而Fe-Cr-Al高溫合金在1100～1300°C經(jīng)歷40 h氧化后，表面氧化膜中的應(yīng)力為4~5 GPa，因此Ti AlC32表面氧化膜內(nèi)的應(yīng)力要比Fe-Cr-Al高溫合金表面氧化膜中的應(yīng)力小許多。
　　為了提高Ti AlC32在低溫的抗循環(huán)氧化能力，采用了高溫預(yù)氧化技術(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1100°C空氣中預(yù)氧化2 h后，能有效提高其在550和650°C的抗循環(huán)氧化能力。
　　在室溫下對(duì)Ti AlC32的氧化