層狀結(jié)構(gòu)TiAl基復(fù)合材料合成機(jī)制與性能研究.pdf

1、TiAl基合金作為綜合性能優(yōu)異的新型結(jié)構(gòu)材料可滿足航空航天超音速飛行器及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)減重和高溫強(qiáng)度的雙重要求。然而TiAl基合金室溫塑性低，成形能力差，傳統(tǒng)熱軋制方法制備TiAl基板材相當(dāng)困難。本文通過設(shè)計(jì)層狀結(jié)構(gòu)和引入TiB晶須增強(qiáng)相提高TiAl板材綜合力學(xué)性能。本文將純Ti箔和原位自生的TiBw/Ti復(fù)合材料箔分別與純 Al箔交替堆疊，通過真空熱壓制備出 Ti-Al疊層和(TiBw/Ti)-Al疊層，并通過反應(yīng)熱處理合成出具有層

2、狀結(jié)構(gòu)的TiAl板材和TiBw-TiAl復(fù)合材料板材。分析了疊層在熱處理過程中的相組成及相轉(zhuǎn)變規(guī)律，研究了層狀結(jié)構(gòu)形成機(jī)理，對(duì)層狀結(jié)構(gòu)TiAl板材和TiBw-TiAl復(fù)合材料板材進(jìn)行力學(xué)性能測試，揭示了強(qiáng)韌化機(jī)制與斷裂機(jī)理。
　　將真空熱壓獲得的界面結(jié)合良好的Ti-Al疊層進(jìn)行660℃的低溫反應(yīng)退火，Ti原子和Al原子不斷進(jìn)行互擴(kuò)散，生成TiAl3相，并且TiAl3相的生長遵循直線生長動(dòng)力學(xué)模式。低溫反應(yīng)退火2h后，材料中的Al完

3、全消耗，獲得Ti-TiAl3疊層。
　　由于低溫反應(yīng)退火時(shí)Ti與Al反應(yīng)擴(kuò)散速率不同，組織中存在Kirkendall孔洞，生成相 TiAl3為疏松多孔結(jié)構(gòu)。將疊層繼續(xù)進(jìn)行1200℃/35MPa/2h高溫反應(yīng)退火，材料中孔洞得到彌合，且Ti和Al繼續(xù)擴(kuò)散，反應(yīng)生成TiAl和Ti3Al，由于材料成分不均勻，存在貧 Al區(qū)和富 Al區(qū)。隨著熱處理的進(jìn)行，貧 Al區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槿珜悠?α2-Ti3Al/γ-TiAl)層，富Al區(qū)形成等軸γ-Ti

4、Al層，最終制備出具有雙晶結(jié)構(gòu)的層狀TiAl板材。
　　由于(TiBw/Ti)-Al疊層和純Ti-Al疊層的擴(kuò)散組元一致，且厚度基本沒變，因此對(duì)(TiBw/Ti)-Al疊層亦采用同種熱處理工藝，制備了具有層狀結(jié)構(gòu)的TiBw-TiAl復(fù)合材料板材，組織由 TiAl層和TiBw-rich層交替組成，其中 TiAl層為全層片(α2-Ti3Al/γ-TiAl)層和等軸γ-TiAl層交替排列，TiBw-rich層為高體積分?jǐn)?shù)的TiB晶須聚集

5、層。
　　室溫拉伸結(jié)果表明，層狀結(jié)構(gòu)TiAl板材抗拉強(qiáng)度、室溫延伸率較高，層狀雙晶結(jié)構(gòu)可相互細(xì)化組織。層狀TiBw-TiAl復(fù)合材料板材由于增強(qiáng)相TiBw的存在，提高了強(qiáng)度。分析拉伸斷口，全層片(α2-Ti3Al/γ-TiAl)層斷裂主要為穿片層斷裂和沿片層斷裂，等軸γ-TiAl層主要為穿晶斷裂和沿晶斷裂。
　　斷裂韌性結(jié)果表明，層狀結(jié)構(gòu)TiAl板材平行于熱壓方向的斷裂韌性比垂直于熱壓方向的高，且TiB晶須的引入提高了韌性。