發(fā)布時(shí)間：2019-01-24 08:18

【摘要】：由于具有密度低、熔點(diǎn)高、比強(qiáng)度和比模量高、抗高溫氧化能力出眾和蠕變速率小,Ti-Al系金屬間化合物可用于制造超高速飛行器的翼、殼體以及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪等航空航天、汽車工業(yè)的耐高溫部件等,而且可替代鈦、鎳基高溫合金,因此被認(rèn)為是新一代輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料的典型代表。但是,Ti-Al系金屬間化合物存在脆性大、高溫強(qiáng)度差及超過800℃高溫氧化抗力不足等問題,嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用化進(jìn)程。復(fù)合化技術(shù)是改善Ti-Al系金屬間化合物性能缺陷的一種行之有效的手段,其中增強(qiáng)相的選擇尤為關(guān)鍵。目前,MAX層狀三元化合物的出現(xiàn)受到了研究者的廣泛關(guān)注,它們同時(shí)兼具金屬和陶瓷的優(yōu)良性能,被認(rèn)為是Ti-Al系金屬間化合物理想的增強(qiáng)相。本文采用壓力輔助原位反應(yīng)技術(shù)制備高純度Ti3Al C2和內(nèi)生MAX(Ti2Al C/Ti3Al C2/Ti3Al C2-Ti2Al C)陶瓷顆粒增強(qiáng)Ti-Al系金屬間化合物,探索不同種類、數(shù)量及組合方式的內(nèi)生陶瓷顆粒(Ti2Al C/Ti3Al C2/Ti3Al C2-Ti2Al C)對(duì)Ti-Al系金屬間化合物微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響規(guī)律,建立結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系,探討強(qiáng)韌化機(jī)制,為發(fā)展高強(qiáng)高韌原位內(nèi)生陶瓷顆粒增強(qiáng)Ti-Al系金屬間化合物提供必要的技術(shù)支持。本文主要研究結(jié)果如下:(1)利用Ti-1.2Al-2Ti C、2Ti C-Ti-1.2Al-0.1Sn、2Ti C-Ti-1.2Al-0.1Si、2Ti C-Ti-1.2Al-0.05Sn-0.1Si和2Ti C-Ti-1.2Al-0.1Sn-0.1Si體系的原位反應(yīng)經(jīng)1350℃燒結(jié)后獲得了高純度Ti3Al C2。2Ti C-Ti-1.2Al體系與Ti-Al-2Ti C體系相比,Ti3Al C2合成純度較高(90.62wt.%)。通過Si或Sn摻雜,大大提高了Ti3Al C2的合成純度,尤其是Si和Sn協(xié)同摻雜后,Ti3Al C2的合成純度最高達(dá)98.94wt.%。2Ti C-Ti-1.2Al-0.05Sn-0.1Si體系合成產(chǎn)物的綜合性能最佳,其Vickers硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為3.68GPa、530.23MPa和7.06MPa·m1/2。(2)利用Ti-Al-Ti--3Al C2體系900℃/2h低溫原位反應(yīng)成功制備了雙相Ti3Al C2-Ti2Al C協(xié)同增強(qiáng)Ti Al基復(fù)合材料。Ti3Al C2和Ti2Al C增強(qiáng)相顆粒主要分布在基體晶界處。隨著Ti3Al C2摻雜量的增大,結(jié)構(gòu)變得疏松,增強(qiáng)相團(tuán)聚嚴(yán)重。當(dāng)Ti3Al C2摻雜量為5wt.%時(shí),Ti3Al C2-Ti2Al C/Ti Al基復(fù)合材料的性能最佳,Vickers硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為2.7GPa、316MPa和7.3MPa·m1/2。合適的界面結(jié)合強(qiáng)度、雙相Ti3Al C2-Ti2Al C協(xié)同配合是賦予高韌性的主要原因。(3)利用Ti-Al-Ti3-Al C2體系的低溫原位反應(yīng)(1000℃/2h)成功制備了Ti2Al C/Ti Al基復(fù)合材料。利用Ti3Al C2分解反應(yīng)原位形成的Ti2Al C陶瓷顆粒尺寸細(xì)小,主要分布在Ti Al基體的晶界處,并構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。隨著Ti2Al C生成量的增加,團(tuán)聚現(xiàn)象加劇,結(jié)構(gòu)疏松。當(dāng)Ti3Al C2摻雜量為5wt.%時(shí),Ti2Al C/Ti Al基復(fù)合材料的性能最佳,Vickers硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為3.7GPa、651.5MPa和10.89MPa·m1/2。提出了Ti2Al C/Ti Al基復(fù)合材料的韌化機(jī)制:基體晶粒的細(xì)化和均勻分布的Ti2Al C陶瓷顆粒;原位Ti2Al C的存在引發(fā)的裂紋偏轉(zhuǎn),棒狀Ti2Al C的架橋效應(yīng)以及穿晶斷裂。(4)利用TixAly-Ti3Al C2體系1150℃/2h原位反應(yīng)成功制備了高強(qiáng)高韌Ti2Al C增強(qiáng)的Ti Al基復(fù)合材料。Ti2Al C顆粒主要呈2種形態(tài):彌散和大顆粒狀,結(jié)構(gòu)致密。隨著Ti3Al C2摻雜量的增大,基體晶粒明顯減小。當(dāng)Ti3Al C2摻雜量為5wt.%時(shí),獲得了最佳綜合性能,Vickers硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為5.14GPa、921.8MPa和7.2MPa·m1/2,與Ti Al合金相比,抗彎強(qiáng)度提高了232.6%,斷裂韌性提高了23.6%。彌散分布的第二相Ti2Al C的形成,細(xì)化了Ti Al基體晶粒,同時(shí)穿晶斷裂、裂紋的偏轉(zhuǎn)和橋聯(lián)、增強(qiáng)相顆粒的拔出等混合斷裂特征使裂紋擴(kuò)展需要更多的能量,裂紋擴(kuò)展受阻,韌性得以改善。(5)利用Ti-Al-Ti C體系原位反應(yīng)(1300℃)成功制備了原位內(nèi)生Ti2Al C/Ti Al基復(fù)合材料。原位形成的Ti2Al C陶瓷顆粒尺寸約5~10μm;Ti2Al C顆粒大部分分布在Ti Al基體的晶界處;隨Ti2Al C生成量的逐漸增大,Ti2Al C呈團(tuán)簇狀分布。當(dāng)Ti2Al C含量為15wt.%時(shí),Ti Al/Ti2Al C基復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性達(dá)到最大,分別為486±16MPa和7.78±0.13MPa·m1/2,較Ti Al合金提高了5.65%和8.2%。Ti2Al C陶瓷顆粒的生成,使得Ti Al合金的強(qiáng)度和塑性同時(shí)得以提高,但Ti2Al C含量高時(shí),反而不利于強(qiáng)度和塑性的提高。提出了強(qiáng)韌化機(jī)制:柔性第二相Ti2Al C強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化;混合斷裂模式(穿晶斷裂、層間撕裂、層狀剝離以及橋聯(lián)、裂紋分叉和裂紋偏轉(zhuǎn)等)。(6)利用Ti-Al-Ti C-CNTs體系的原位反應(yīng)成功制備了Ti3Al C2/Ti Al3基復(fù)合材料。增強(qiáng)相Ti3Al C2主要分布在Ti Al3晶界處,形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu),Ti3Al C2和Ti Al3結(jié)合緊密。Ti3Al C2呈2種不同形態(tài)分布:粒子和針狀。Ti3Al C2/Ti Al3基復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)487.2MPa和5.5MPa·m1/2,遠(yuǎn)高于Ti Al3合金的彎曲強(qiáng)度(162MPa)和斷裂韌性(2MPa·m1/2),分別提高了約200.7%和175%。Ti3Al C2/Ti Al3基復(fù)合材料存在多種增韌機(jī)制,包括裂紋的偏轉(zhuǎn)、分支和橋聯(lián),顆粒的拔出以及穿晶斷裂等。(7)利用Ti-Al-Ti C-CNTs體系的原位反應(yīng)成功制備了Ti2Al C Ti2Al C/Ti Al3復(fù)合材料,并形成了搭接層狀結(jié)構(gòu),樣品的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性最高可達(dá)343.21MPa和6.5MPa·m1/2,遠(yuǎn)高于Ti Al金的彎曲強(qiáng)度(162MPa)和斷裂韌性(2MPa·m1/2),分別提高了225%和111.86%。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB33

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本文編號(hào)：2414292