SiC連續(xù)纖維增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料的界面擴(kuò)散行為研究.pdf

1、SiC連續(xù)纖維增強(qiáng)Ti合金基復(fù)合材料(TMCs)具有高的比強(qiáng)度和比模量，被大量應(yīng)用作航空航天結(jié)構(gòu)材料。但是由于鈦的化學(xué)活性，在復(fù)合材料的復(fù)合固結(jié)及高溫服役條件下，SiC/Ti合金的界面處存在嚴(yán)重的界面反應(yīng)，形成一些脆性舶界面反應(yīng)化合物，他們分布在界面的幾層反應(yīng)產(chǎn)物中。這些脆性的反應(yīng)產(chǎn)物可能成為裂紋源，顯著降低復(fù)合材料的機(jī)械性能。 SiC/Ti基體的界面反應(yīng)是一個(gè)反應(yīng)擴(kuò)散問題，由于涉及界面反應(yīng)擴(kuò)散的組元、影響因素很多，形成的反應(yīng)產(chǎn)

2、物層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，擴(kuò)散系數(shù)的求法很困難。本論文通過SiC/TA1擴(kuò)散偶及不同SiC連續(xù)纖維增強(qiáng)TA1、Ti6A14V、Super α<,2>和Ti<,2>AlNb基復(fù)合材料的制備及熱處理試驗(yàn)，運(yùn)用SEM、TEM、EDS和XRD技術(shù)對(duì)界面反應(yīng)區(qū)的形貌、元素分布及成分進(jìn)行分析，來探討復(fù)合材料界面反應(yīng)產(chǎn)物的形成序列以及反應(yīng)元素的擴(kuò)散路徑。運(yùn)用Fick第二擴(kuò)散定律和半無限擴(kuò)散偶在三元多相擴(kuò)散系中的高斯解法，求解簡(jiǎn)單界面反應(yīng)產(chǎn)物層和復(fù)雜界面反應(yīng)層中相

3、關(guān)元素的擴(kuò)散系數(shù)，從微觀機(jī)制方面討論界面反應(yīng)產(chǎn)物的生長(zhǎng)特點(diǎn)及反應(yīng)元素的擴(kuò)散特性。 SiC/TA1復(fù)合材料界面反應(yīng)擴(kuò)散的路徑為：SiC｜Ti<,3>SiC<,2>｜Ti<,5>Si<,3>C<,x>｜TiC+Ti<,5>Si<,3>C<,x>｜TA1；SiC/Ti6Al4V復(fù)合材料界面反應(yīng)擴(kuò)散的完整路徑為：SiC｜Ti<,3>SiC<,2>｜Ti<,5>Si<,3>C<,x>｜TiC｜Ti<,3>Si｜Ti6Al4V+TiC；對(duì)于

4、含有C涂層的SiC纖維增強(qiáng)Ti6Al4V復(fù)合材料，當(dāng)C被完全消耗完之后，反應(yīng)擴(kuò)散的路徑為：SiC｜Ti<,3>SiC<,2>｜Ti<,5>Si<,3>C｜TiC｜Ti6Al4V；SCS-6 SiC纖維增強(qiáng)Ti-Al金屬間化合物基復(fù)合材料界面反應(yīng)擴(kuò)散的路徑為：SCS-6 SiC｜(Ti,Nb)C｜(Ti,Nb)<,5>(Al,Si)<,3>C<,x>｜(Ti,Nb)C｜(Ti，Nb)<,3>(Si,Al)｜Super α<,2>(Ti<,

5、2>AlNb)+Ti<,3>AlC。 在實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)于含有C涂層的SiC纖維增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料，當(dāng)C涂層沒有被消耗完之前，界面反應(yīng)產(chǎn)物層的生長(zhǎng)符合拋物線規(guī)律，當(dāng)C涂層被完全消耗完之后，界面反應(yīng)產(chǎn)物層的生長(zhǎng)速率急劇上升，不滿足同一的拋物線規(guī)律。對(duì)于不含C涂層的SiC纖維增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料，界面反應(yīng)產(chǎn)物層的生長(zhǎng)均遵循拋物線生長(zhǎng)規(guī)律，其界面反應(yīng)層的生長(zhǎng)激活能順序?yàn)椋篞<'k><,TA1><,Ti6Al4V><

6、,Ti600><,Superα<,2>>。因此SCS-6 SiC/Ti-Al金屬間化合物復(fù)合材料具有良好的界面穩(wěn)定性和相容性。計(jì)算得出的擴(kuò)散元素濃度分布圖與實(shí)測(cè)值吻合的較好。由擴(kuò)散控制的界面反應(yīng)產(chǎn)物的生長(zhǎng)特點(diǎn)是Ti<,3>SiC<,2>具有層狀結(jié)構(gòu)，TiC具有等軸狀結(jié)構(gòu)。C原子主要通過間隙擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)散，而Si原子主要通過空位機(jī)制進(jìn)行，但是在細(xì)小晶粒的Ti<,3>SiC<,2>中，晶界擴(kuò)散占主導(dǎo)作用。C和Si原子在TiC層

7、中具有最小的擴(kuò)散系數(shù)，復(fù)合材料界面反應(yīng)過程中，反應(yīng)元素?cái)U(kuò)散通過TiC層的擴(kuò)散是一個(gè)控制步驟。 根據(jù)柯勒(Kolher)對(duì)稱熱力學(xué)模型，同時(shí)借助于米德瑪(Midema)生成熱模型，從熱力學(xué)上推導(dǎo)出三元體系的計(jì)算公式，得出 Ti6Al4V、Ti600、Super α<,2>和Ti<,2>AlNb四種基體合金系中各組元的活度系數(shù)以及活度相互作用系數(shù)，利用擴(kuò)散系數(shù)的熱力學(xué)因子和組元的示蹤擴(kuò)散系數(shù)及自擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)一步得到基體合金系中相關(guān)組

8、元的互擴(kuò)散系數(shù)。Ti元素的活度系數(shù)順序?yàn)椋害?,Ti in Ti6 Al4V>>γ<,Ti in Ti600>>γ<,Ti in Super α<,2>>>γ<,Ti in Ti<,2>AlNb>，主要的合金元素A1在四種基體中的互擴(kuò)散系數(shù)的順序?yàn)椋?D<,Al in Ti600>>D<,Al in Ti6 Al4V>>D<,Al in Superα<,2>>>D<,Al in Ti<,2>AlNb>。 通過TA1/Ti6Al4

9、V擴(kuò)散偶的制備及熱處理試驗(yàn)，探討復(fù)合材料制備過程中的擴(kuò)散連接問題。根據(jù)求得的溶質(zhì)元素的互擴(kuò)散系數(shù)，通過唯象公式的Matlab偏微分方程組的數(shù)值解法，得出擴(kuò)散元素在連接界面處的理論濃度分布圖。實(shí)驗(yàn)值與理論模擬結(jié)果吻合得很好，因此能夠很好的預(yù)測(cè)擴(kuò)散連接界面相關(guān)擴(kuò)散元素的濃度分布。 研究了SCS-6 SiC/TiB<,2>/Super α<,2>復(fù)合材料的界面反應(yīng)及產(chǎn)物相的形成，探討TiB<,2>障礙涂層的作用機(jī)理。在TiB<,2>涂

10、層沒有被消耗完之前，它阻止了C原子的擴(kuò)散，但不能阻止Ti及合金元素原子的擴(kuò)散，當(dāng)TiB<,2>涂層被消耗完之后，由于生成的TiB對(duì)C、Si、Ti及合金元素原子的互擴(kuò)散沒有阻礙作用，界面反應(yīng)程度顯著增強(qiáng)。從SCS-SiC纖維到Super α<,2>基體，其界面反應(yīng)產(chǎn)物分別為SCS-6SiC｜TiC+Ti<,5>Si<,3>｜TiC｜Ti<,3>Si｜TiB｜Ti<,3>AlC｜Superα<,2>。B原子在TiB<,2>中的擴(kuò)散垂直于該層