原位自生Ti2AlN-TiAl復(fù)合材料制備與高溫性能研究.pdf

1、本文設(shè)計并制備了原位自生 Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料。利用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)、差熱分析(DSC)等多種手段對材料微觀組織及合成機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究;采用三點(diǎn)彎曲、氧化、熱壓縮和摩擦磨損等實(shí)驗(yàn)等手段測試了材料的綜合性能,并分析了相關(guān)的影響因素。
　　原材料 Ti、Al和TiN顆粒,采用熱壓燒結(jié)工藝,合成制備出增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為20％和50%的Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料。該復(fù)合材料合成過程

2、分為四個階段:第一階段 Al粉完全熔化(>665℃),此時在Ti顆粒表面形成 TiAl3相;第二階段 Al粉參與合成反應(yīng)而耗盡,Ti顆粒周圍形成多層Ti-Al系化合物包圍的層狀結(jié)構(gòu),在TiAl3層邊緣位置通過熔析反應(yīng)形成了少量細(xì)小的Ti2AlN顆粒;第三階段(1100～1300℃期間),高溫下基體材料轉(zhuǎn)變?yōu)門iAl(芯部為Ti3Al),此時的TiN顆粒與TiAl緊密接觸;第四階段(1300℃保溫、保壓1小時處理),TiN顆粒與TiAl完

3、全反應(yīng)得到大量Ti2AlN顆粒,基體均勻化轉(zhuǎn)變成TiAl相,最終得到Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料。
　　Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料的基體合金可通過熱處理轉(zhuǎn)變成全片層、雙態(tài)和近γ相組織。其中,全片層TiAl基體組織的Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料硬度和彈性模量隨Ti2AlN顆粒體積分?jǐn)?shù)增加而升高;高溫(800℃)下,彎曲強(qiáng)度隨Ti2AlN顆粒體積分?jǐn)?shù)增加而先升高后降低, Ti2AlN顆粒體積分?jǐn)?shù)占20%的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度最高,

4、Ti2AlN顆粒體積分?jǐn)?shù)過高對強(qiáng)度不利。
　　氧化試驗(yàn)在800～900℃空氣條件下進(jìn)行。900℃下,Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料的典型氧化過程分為2個階段:初期為相(晶)界和表面層快速氧化階段,隨后進(jìn)入氧化層不斷增厚的受擴(kuò)散控制氧化階段,隨著氧化層厚度的增加氧化速率逐漸減緩。900℃空氣條件下,氧化層自外向內(nèi)分為兩層,分別為TiO2層和(Al2O3+TiO2+Ti5Al3O2)混合層。
　　熱壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明:隨溫度升高,

5、TiAl合金和Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度均降低,而隨著應(yīng)變速率增加壓縮強(qiáng)度升高;在高溫高應(yīng)變速率和低溫低應(yīng)變速率條件下,Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料的強(qiáng)度比基體 TiAl合金提高40～50%。Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料熱壓縮變形方式除滑移外,還有 TiAl片層組織晶界滑動、片層彎曲、片層間滑動、孿晶、再結(jié)晶等。低體積分?jǐn)?shù)Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料中,位于晶界處的Ti2AlN顆粒能夠阻礙 TiAl晶界滑動,有利于提

6、高材料強(qiáng)度;高體積分?jǐn)?shù)的Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料中,聯(lián)接成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的Ti2AlN增強(qiáng)體能夠有效承載,明顯提高了復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度。
　　摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明:Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料與鎳基合金組成的摩擦副,室溫摩擦過程主要分為兩個階段:I階段為非穩(wěn)態(tài)摩擦階段,鎳基合金是主要磨損方,磨損類型是鎳基合金附著在復(fù)合材料磨面上的粘著磨損;II階段為穩(wěn)態(tài)摩擦階段,鎳基合金仍然是主要磨損方,磨損方式是Ti2AlN/TiAl復(fù)合材

7、料對其產(chǎn)生的磨粒磨損,同時 Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料發(fā)生粘著磨損。室溫下,載荷增加,摩擦系數(shù)和磨損量均升高;滑動速度加快,Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料總磨損量增加,摩擦系數(shù)和復(fù)合材料的磨損率降低。
　　高溫下摩擦副發(fā)生氧化,鎳基合金氧化產(chǎn)物為NiO,Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料的氧化產(chǎn)物為Al2O3和TiO2。Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料-鎳基合金高溫摩擦過程主要分為三個階段:I階段為非穩(wěn)態(tài)-摩擦系數(shù)上升階段,鎳基合金

8、發(fā)生粘著磨損;II階段為非穩(wěn)態(tài)-摩擦系數(shù)下降階段,鎳基合金的磨損方式從粘著磨損向磨粒磨損轉(zhuǎn)變,復(fù)合材料磨損方式主要是粘著磨損;III階段為穩(wěn)態(tài)-摩擦系數(shù)平穩(wěn)階段,鎳基合金是主要磨損方,磨損類型為磨粒磨損。高溫下,隨著滑動速度增加,摩擦系數(shù)和復(fù)合材料磨損率均降低,復(fù)合材料的總磨損量上升;溫度升高,摩擦系數(shù)和復(fù)合材料磨損量均下降。不論在室溫還是高溫摩擦試驗(yàn)中,復(fù)合材料磨損量均低于 TiAl基體合金,Ti2AlN體積分?jǐn)?shù)增加,復(fù)合材料的磨損量