納米TiB2增韌AlMgB14基超硬復合材料制備及其綜合性能研究.pdf

1、AlMgB14材料具有優(yōu)良的力學性能、良好的化學穩(wěn)定性以及低密度、低成本等一系列優(yōu)點，在切削刀具、耐磨涂層以及航空航天關鍵零部件等領域具有非常廣闊的應用前景。但是其韌性及抗高溫氧化性差等缺點限制了其在工業(yè)上的應用。基于此，本文將納米TiB2添加到AlMgB14中用于提高其力學性能和抗高溫氧化性能。同時，將高韌性的AlMgB14-TiB2復合材料與金屬連接形成復合結構，為拓展AlMgB14材料的應用范圍提供理論基礎。
　　本文采用電

2、場激活與壓力輔助合成FAPAS(Field Activated and Pressure Assisted Synthesis)技術制備了AlMgB14塊體材料、納米TiB2增韌AlMgB14-TiB2超硬復合材料和 TiB2/AlMgB14-TiB2層狀復合材料。采用電場輔助擴散連接FDB（field-assisted diffusion bonding）技術同步完成了AlMgB14-30wt.％TiB2復合材料的合成及其與Mo、Nb

3、金屬板材的連接，制備了 AlMgB14-TiB2/金屬復合材料。利用數顯顯微硬度計對試樣的硬度進行測試，并利用掃描電子顯微鏡（SEM）對壓痕尖端裂紋擴展長度進行測量，探討增強相對復合材料的硬度及斷裂韌性的影響機理。利用多功能材料表面實驗儀對 AlMgB14塊體材料和納米 TiB2增韌 AlMgB14-30wt.%TiB2復合材料在25 ℃-800 ℃溫度范圍的摩擦因數進行了測定，采用 HT-1000型球-盤往復式高溫摩擦磨損試驗機對 A

4、lMgB14-30wt.%TiB2復合材料在25 ℃-800 ℃溫度范圍的磨損性能進行了測試，并結合 X射線衍射儀（XRD）、SEM、能譜儀（EDS）等分析方法分析了摩擦磨損表面形貌、物相結構及元素分布情況，探討了復合材料在不同溫度下的摩擦學特性及TiB2增強相對復合材料高溫摩擦磨損性能的影響機理。采用熱重分析法對復合材料的高溫氧化行為進行測試。采用第一性原理對AlMgB14-TiB2試樣的晶格參數和晶體結構進行了解析，并與理論值進行了

5、對比，對氧氣分子在復合材料表面的吸附進行了數值模擬，計算并分析了模型的吸附能和態(tài)密度，并結合 XRD、SEM、EDS等方法觀察和分析試樣氧化層表面和橫截面的形貌及物相組成，探討復合材料的高溫氧化行為機理。對 AlMgB14-TiB2/金屬復合材料的硬度分布和連接強度進行了測定，并探討了復合材料與金屬板材的擴散連接機理。
　　結果表明，在合成溫度1400 ℃、壓力50MPa、保溫時間8min的工藝條件下制備的AlMgB14-TiB2

6、復合材料，其中的AlMgB14晶體的晶格參數更接近于Al0.75Mg0.78B14，該相精修后的Rwp值為3.47%，TiB2相精修后的Rwp值為4.95%。TiB2相的晶格參數和原子位置相對于理論值略有偏差，說明在合成過程中兩者之間會互相擠壓，從而導致大量晶格畸變產生。晶格畸變的產生有利于提高試樣的硬度和韌性。隨著TiB2含量的增加，復合材料的顯微硬度和斷裂韌性線性增加。當TiB2含量為70wt.%時，復合材料的力學性能最佳。TiB2

7、與AlMgB14相的界面屬于半共格界面，結合界面的原子錯配度為6.34%，兩相間存在較低的界面能結構，TiB2在復合材料中的增韌機制主要表現為裂紋偏轉。
　　室溫下AlMgB14塊體材料的摩擦因數平均值為0.5，而AlMgB14-30wt.%TiB2復合材料為0.45，兩者相差不大。溫度升高至300 ℃，AlMgB14-30wt.%TiB2復合材料的摩擦因數平均值約為0.45，而 AlMgB14塊體材料的摩擦因數平均值高于復合材料

8、，約為0.65。AlMgB14-30wt.%TiB2復合材料在800 ℃以下的摩擦因數隨溫度的升高呈現增加的趨勢，摩擦因數值在0.4-0.65之間，磨損機制為磨粒磨損和粘著磨損。但溫度升高到800 ℃后，磨損表面生成了一層具有自潤滑性能的TiO2薄膜，使得摩擦因數降為0.12，磨損機制變?yōu)檠趸p。
　　AlMgB14塊體材料、AlMgB14-10wt.%TiB2和AlMgB14-30wt.%TiB2復合材料的氧化動力學曲線滿足直

9、線和曲線復合的規(guī)律。三種材料氧化速率大小順序為 AlMgB14塊體材料＞ AlMgB14-10wt.%TiB2＞ AlMgB14-30wt.%TiB2。與塊體材料相比，AlMgB14-10wt.%TiB2和 AlMgB14-30wt.%TiB2復合材料的高溫抗氧化性分別提高2~4倍和3~7倍。材料截面形貌和XRD結果也表明AlMgB14-30wt.%TiB2復合材料具有更好的抗高溫氧化性能。
　　在溫度為1400 ℃，壓力為50M

10、Pa的條件下，采用FDB技術能夠同步實現AlMgB14-30wt.%TiB2復合材料合成及其與金屬Nb、Mo的冶金連接，復合材料與金屬之間形成的擴散層厚度在150~200μm之間。與金屬Nb形成的擴散層主要組成相為NbB2，與金屬Mo形成的擴散層主要組成相為MoB4。相比而言，與Nb連接時形成的接頭連接強度高于與Mo連接時的連接強度。
　　TiB2/AlMgB14-TiB2層狀復合材料的高溫氧化結果表明，TiB2表層在不同溫度下形