Mof-TiAl復(fù)合材料的制備及變形斷裂行為研究.pdf

1、高溫結(jié)構(gòu)材料是航空航天推進系統(tǒng)實現(xiàn)革命性變革與發(fā)展的關(guān)鍵因素。TiAl基合金因具有密度低、強度高、抗氧化性能好及抗蠕變性能優(yōu)異等優(yōu)點成為非常有競爭力的高溫結(jié)構(gòu)材料,目前已應(yīng)用于發(fā)動機葉片、渦輪與排氣閥等構(gòu)件。但航空航天工業(yè)的迅猛發(fā)展,對發(fā)動機材料提出了更高的要求。TiAl基合金要想獲得更廣泛的應(yīng)用并滿足更為苛刻的服役條件,需要進一步改善其室溫斷裂韌性,并提高高溫強度。本文通過采用連續(xù)Mo纖維增強的方式來實現(xiàn)TiAl基合金強韌化的目的。采

2、用了粉末漿料鑄造與真空熱壓燒結(jié)相結(jié)合的工藝方法成功地制備了Mof/TiAl復(fù)合材料,研究了制備工藝參數(shù)對復(fù)合材料顯微組織與力學(xué)性能影響,觀察分析了復(fù)合材料的變形與斷裂行為,揭示了復(fù)合材料的強韌化機理。
　　本文采用改進的粉末漿料鑄造法簡便有效地實現(xiàn)了纖維與基體粉末的預(yù)復(fù)合。選用PMMA、丙酮與Ti、Al混合粉末制備粉末漿料,并在三者配比為10g:70ml:60g時,成功地獲得了致密無空洞、纖維排布均勻、Ti、Al粉末分散良好的品質(zhì)

3、優(yōu)良的預(yù)制體。預(yù)制體經(jīng)除氣與熱壓燒結(jié)兩步最終制得復(fù)合材料。
　　制備的復(fù)合材料中纖維排布均勻,保持了制備前的高長徑比的纖維組織形貌;基體以TiAl相為主,并含有少量的Ti3Al相。熱壓燒結(jié)溫度升高與時間延長,有利于基體致密化程度及組織均勻性的提高,但加劇界面反應(yīng),使界面處生成兩個連續(xù)的反應(yīng)層,由Mo纖維到基體依次為呈現(xiàn)放射型柱狀晶形貌的δ-(Mo,Ti)3Al相和粗大等軸晶形貌的β'-(Mo,Ti)A1相。納米壓痕測試表明,δ相的

4、硬度及彈性模量高于β'。纖維推出試驗測得的界面剪切強度大于367MPa,Mo/δ界面發(fā)生脫粘。界面相的生長動力學(xué)研究表明,δ相與β'相的生長均遵循拋物線規(guī)律,二者的生長速度隨溫度的升高而加快。
　　復(fù)合材料的性能受制備工藝參數(shù)影響,最優(yōu)工藝參數(shù)為380℃保溫除氣1h,并經(jīng)1100℃熱壓燒結(jié)1h。制備的單向纖維增強的復(fù)合材料的室溫縱向與橫向彎曲強度分別為735.4MPa與249.3MPa,縱向彎曲強度受加載方向影響很小。正交纖維增強

5、的復(fù)合材料的室溫彎曲強度下降至374.4MPa。700℃-1000℃范圍內(nèi),單向纖維與正交纖維增強的復(fù)合材料的彎曲強度均隨溫度的升高先增加后降低,二者均在800℃時達到最高值,分別為762.9MPa與564.4MPa。
　　復(fù)合材料的壓縮屈服強度隨測試溫度的升高而減低;縱向壓縮屈服強度比法向略高,纖維排布方式對復(fù)合材料的法向壓縮強度影響較小。單邊缺口梁法測得的單向纖維增強的復(fù)合材料的斷裂韌性為23.55MPa·m1/2,較基體Ti

6、Al提高50％以上。
　　由于脆性基體與韌性連續(xù)纖維的共同作用,Mof/TiAl復(fù)合材料的變形與斷裂過程不同于均質(zhì)材料,變形與斷裂過程相互交織,其間伴隨著基體與纖維承載作用的變化。室溫縱向彎曲與拉伸時,復(fù)合材料的變形斷裂過程分為三個階段:第一階段,復(fù)合材料的整體變形來自于纖維與基體間協(xié)同發(fā)生的彈性變形,纖維與基體共同承載;第二階段,基體與纖維變形失配,脆性基體通過裂紋的不斷萌生擴展匹配復(fù)合材料的變形,其有效承載下降,纖維則繼續(xù)發(fā)生

7、彈性變形,承載不斷增加;第三階段,基體因裂紋數(shù)量飽和而完全失效,纖維獨自承載,復(fù)合材料的變形完全由纖維的彈、塑性變形提供,并最終在纖維頸縮斷裂后復(fù)合材料完全破壞。復(fù)合材料中裂紋萌生于基體,發(fā)生沿TiAl相晶界及穿過Ti3Al相晶粒的擴展后,直接穿過δ與β'兩界面相而受阻于纖維,兩界面相與基體一同變形開裂。Mo/δ、δ/β'與β'/TiAl三界面在纖維塑性變形前均完好無損,之后因脆性δ相與韌性纖維難以協(xié)調(diào)變形,Mo/δ界面脫粘。Mo纖維對

8、裂紋不敏感,基體裂紋難以擴展穿過纖維,纖維在達到自身的抗拉強度后萌生裂紋并斷裂。
　　高溫下復(fù)合材料的彎曲變形與斷裂方式與室溫時不同,塑韌性大為提高的基體能夠通過較大的變形而非裂紋的萌生擴展來匹配復(fù)合材料的整體變形,在纖維發(fā)生頸縮斷裂后,復(fù)合材料因基體承載能力的不足而快速斷裂。
　　縱向壓縮載荷作用下,復(fù)合材料中纖維在與縱向成45°方向的最大切應(yīng)力作用下發(fā)生較大彎曲而不斷裂,其間基體則沿纖維軸線破碎,并造成界面Mo/δ開裂。

9、法向壓縮載荷作用下,復(fù)合材料的剪切破壞面平行于纖維軸向,并呈現(xiàn)臺階狀。高溫時,復(fù)合材料塑韌性增加,基體與纖維變形協(xié)調(diào)一致,復(fù)合材料發(fā)生墩粗變形而不破裂。
　　通過對復(fù)合材料力學(xué)性能及變形與斷裂行為的綜合分析,揭示了復(fù)合材料的強韌化機理:較高的基體致密度、良好的界面結(jié)合及較少的纖維損耗三者之間的平衡是復(fù)合材料強度得到最大提高的保證;纖維的橋接、塑性變形、脫粘與拔出以及裂紋的偏轉(zhuǎn)枝生是復(fù)合材料的主要韌化機制,其中,纖維的塑性變形使強韌