【摘要】：Ti-Al層狀復(fù)合材料兼具TiAl金屬間化合物的高強(qiáng)度及金屬Ti或Al的高塑性,具有密度小、比強(qiáng)度高等特點(diǎn),近年來已在航空航天領(lǐng)域獲得應(yīng)用,并可作為武裝直升機(jī)防護(hù)裝甲的優(yōu)良備選材料。然而,以純Ti及純Al作為基材,通過疊軋等傳統(tǒng)方法制備的Ti-Al層狀復(fù)合材料的塑韌性較低,且需通過長時高溫退火使Ti、Al反應(yīng)形成金屬間化合物層,制備效率低,嚴(yán)重限制了該類復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。本研究引入非晶材料的活化特性,以Al-Ti基非晶-Al和Ti-Al基非晶-Ti模塊為研究對象,探索利用熱壓法直接制備層狀復(fù)合材料的可能性,并對所制備的層狀復(fù)合材料進(jìn)行微觀組織及反應(yīng)層生長動力學(xué)分析,對Ti-Al層狀復(fù)合材料的工程化應(yīng)用具有重要意義。本文首先利用真空快淬法制備了Ti基非晶箔材和Al基非晶箔材,隨后利用Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)通過熱壓法制備了Al-TiAl金屬間化合物-Al和Ti-TiAl金屬間化合物-Ti疊層復(fù)合材料。TiAl金屬間化合物層分別由Ti基非晶-Al箔和Al基非晶-Ti箔反應(yīng)獲得。同時,利用SEM對所制備的疊層復(fù)合材料進(jìn)行微觀組織分析,探明了熱壓溫度及保溫時間對層狀復(fù)合材料微觀組織的影響規(guī)律,確定了反應(yīng)產(chǎn)物類型;并最終建立了擴(kuò)散反應(yīng)層的生長動力學(xué)模型。主要結(jié)論如下:(1)在本研究涉及的溫度及保溫時間范圍內(nèi),Ti基非晶與Al、Al基非晶與Ti復(fù)合時的反應(yīng)產(chǎn)物均為TiAl3,與熱力學(xué)分析結(jié)果相符。(2)560℃時,非晶箔材與金屬Ti或Al層均未發(fā)生反應(yīng);當(dāng)溫度升至600℃時,非晶箔材與金屬Ti或Al開始反應(yīng),且隨溫度及保溫時間延長,反應(yīng)層厚度增加。Ti基非晶與Al復(fù)合時,640℃保溫4h后,形成了較理想的Al-TiAl-Al層狀復(fù)合材料。Al基非晶與Ti復(fù)合時,620℃保溫3h后,形成了較理想的Ti-TiAl-Ti層狀復(fù)合材料。(3)擬合了利用Al-TiAl-Al及Ti-TiAl-Ti層狀復(fù)合材料中反應(yīng)層生長的動力學(xué)模型,由該模型可知,Al-TiAl-Al反應(yīng)層的生長活化能Q≈7.32×106J?mol-1、新相生長速率K0≈1.80×109μmn·h-1,Ti-TiAl-Ti中反應(yīng)層的生長活化能Q≈1.42×105J?mol-1、新相生長速率K0≈3.34×109μmn·h-1。(4)相較于直接利用純Ti和純Al反應(yīng)制備Ti-Al層狀復(fù)合材料,利用Ti基非晶和純Al及Al基非晶和純Ti反應(yīng)時,后者中TiAl金屬間化合物反應(yīng)層的生長速率均高于前者,同時反應(yīng)層生長活化能均低于前者,表明熱壓過程中非晶材料晶化所釋放出的熱量確實(shí)促進(jìn)了TiAl金屬間化合物反應(yīng)層的生長,起到了活化作用,一定程度上提高了該層狀復(fù)合材料的制備效率。(5)Al-TiAl-Al層狀復(fù)合材料室溫拉伸條件下的屈服強(qiáng)度為220MPa、抗拉強(qiáng)度為850MPa,斷裂應(yīng)變達(dá)35.9%,綜合力學(xué)性能較好。拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)鋸齒形態(tài),表明復(fù)合材料中各層并未同時斷裂,各層斷裂次序應(yīng)為:TiAl金屬間化合物層、Al層及晶化后的Ti基非晶層。該材料斷口中出現(xiàn)大量韌窩,表明其以韌性模式斷裂,即相較于TiAl金屬間化合物具有更好的塑韌性。
【圖文】：

華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文第 2 章 非晶材料的制備所謂非晶態(tài)是指急冷凝固過程使金屬來不及結(jié)晶，原子排列保持液態(tài)金屬的無序狀態(tài)。通常采用大約 105~106K/s 的冷卻速度使液態(tài)金屬以大于臨界冷度急速冷卻，實(shí)現(xiàn)快速凝固，使結(jié)晶過程受阻而形成非晶態(tài)。凝固潛熱及導(dǎo)決定著凝固速率。凝固厚度越大，其內(nèi)部熱阻也就越大，從而導(dǎo)致凝固速率。因此快速凝固只能在小尺寸試件中實(shí)現(xiàn)，如非晶薄帶、非晶絲和薄膜等。非晶薄帶的方法有很多種，例如快淬法、單輥法、雙輥法等。本文采用的是快淬單輥法制備鈦基非晶和鋁基非晶薄帶。采用的真空熔煉爐淬單輥爐如圖 2-1 和圖 2-2 所示。單輥感應(yīng)式熔煉甩帶系統(tǒng)，主要通過高速熔化金屬制備非晶合金薄帶，由快淬系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)三部分組成�？蛇_(dá) 55m/s。

華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文第 2 章 非晶材料的制備所謂非晶態(tài)是指急冷凝固過程使金屬來不及結(jié)晶，原子排列保持液態(tài)金屬的無序狀態(tài)。通常采用大約 105~106K/s 的冷卻速度使液態(tài)金屬以大于臨界冷度急速冷卻，實(shí)現(xiàn)快速凝固，使結(jié)晶過程受阻而形成非晶態(tài)。凝固潛熱及導(dǎo)決定著凝固速率。凝固厚度越大，其內(nèi)部熱阻也就越大，，從而導(dǎo)致凝固速率。因此快速凝固只能在小尺寸試件中實(shí)現(xiàn)，如非晶薄帶、非晶絲和薄膜等。非晶薄帶的方法有很多種，例如快淬法、單輥法、雙輥法等。本文采用的是快淬單輥法制備鈦基非晶和鋁基非晶薄帶。采用的真空熔煉爐淬單輥爐如圖 2-1 和圖 2-2 所示。單輥感應(yīng)式熔煉甩帶系統(tǒng)，主要通過高速熔化金屬制備非晶合金薄帶，由快淬系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)三部分組成�？蛇_(dá) 55m/s。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB331

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2528034