Ti-,3-Al-TiC+Al-,2-O-,3-多元復(fù)合材料的制備和性能研究.pdf

1、對(duì)工程結(jié)構(gòu)陶瓷性能要求日趨苛刻的今天，發(fā)展具有優(yōu)異綜合性能的復(fù)相陶瓷成為工程材料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過添加金屬元素、陶瓷顆粒、纖維晶須等增強(qiáng)相可以提高陶瓷材料的韌性和強(qiáng)度，但是都不同程度存在著一定的缺陷。而金屬間化合物表現(xiàn)出期望的優(yōu)異性能，如何使陶瓷材料和金屬間化合物性能達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)是發(fā)展的必然方向。目前報(bào)道金屬間化合物增韌主要集中在Fe-Al、Ni-Al系，關(guān)于Ti-Al金屬間化合物和顆粒協(xié)同增韌的報(bào)道很少。因此本課題首先對(duì)Ti/Al混合粉

2、末進(jìn)行機(jī)械合金化，然后和基體粉末通過熱壓反應(yīng)燒結(jié)制備Ti-Al金屬間化合物增韌陶瓷基體(TiC+Al2O3)復(fù)合材料。主要工作和實(shí)驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)單概括如下： 首先對(duì)Ti/Al混合粉末進(jìn)行機(jī)械合金化。經(jīng)過強(qiáng)烈的機(jī)械球磨，Ti、Al晶體的結(jié)構(gòu)、形貌發(fā)生很大的變化。在很短的時(shí)間內(nèi)就可以細(xì)化晶粒。在碰撞和剪切應(yīng)力下引入大量的缺陷和內(nèi)應(yīng)力，相繼出現(xiàn)過飽和固溶體、非晶、金屬間化合物等物相。利用規(guī)則溶液模型研究了合金化過程中固溶體的相對(duì)穩(wěn)定性，提出

3、了(Al摩爾比，溫度)坐標(biāo)判別模式，理論計(jì)算結(jié)果表明在本實(shí)驗(yàn)中主要形成Al在Ti中的固溶體，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。 通過選擇合適的燒結(jié)制度，利用熱壓反應(yīng)燒結(jié)成功地制備了Ti3Al/TiC+Al2O3多元復(fù)合材料。金屬間化合物Ti3Al對(duì)(TiC+Al2O3)有明顯的增韌補(bǔ)強(qiáng)效果，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別增長(zhǎng)150％和220％；在1550℃燒結(jié)的材料具有較好的綜合性能，硬度可以達(dá)到91.5HRA，抗彎強(qiáng)度為623.33MPa，斷裂韌性

4、為8.02MPa·m1/2，致密度可達(dá)96.8％。由于1650℃燒結(jié)試樣中存在晶粒異常長(zhǎng)大，使性能有所降低。 在700℃，900℃對(duì)Ti3Al/TiC+Al2O3復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，熱處理對(duì)韌性和硬度沒有明顯的影響，但是使1650?！鏌Y(jié)試樣的強(qiáng)度明顯降低。研究了復(fù)合材料在200、400、600、800、900、1000℃下連續(xù)氧化行為，結(jié)果表明在900℃時(shí)復(fù)合材料質(zhì)量增加明顯。 在Ti3Al/TiC+Al2O3復(fù)合材料

5、的基礎(chǔ)上，分別加入5wt％、8wt％、10wt％納米TiC顆粒，研究了納米顆粒的增韌機(jī)理和納米顆粒含量對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的影響。納米TiC顆粒的加入促進(jìn)了均勻、細(xì)化結(jié)構(gòu)的形成，復(fù)合材料中具有晶內(nèi)型和晶間型結(jié)構(gòu)，而且發(fā)現(xiàn)了Al2O3在Ti3Al內(nèi)的晶內(nèi)型結(jié)構(gòu)和TiC長(zhǎng)柱狀晶粒。納米顆粒通過晶粒細(xì)化強(qiáng)化、殘余應(yīng)力強(qiáng)化及長(zhǎng)晶拉拔效應(yīng)等強(qiáng)韌化機(jī)制，使復(fù)合材料性能(致密度、強(qiáng)度和韌性)大幅度提高；但是隨納米TiC顆粒含量的增加，性能表現(xiàn)出先升后降

6、的特性。在實(shí)驗(yàn)中，含8wt％納米TiC顆粒的復(fù)合材料具有最好的力學(xué)性能，相對(duì)密度99.5％，抗彎強(qiáng)度819MPa，斷裂韌性為14.06MPa·m1/2。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文主要有以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)： 1)利用規(guī)則溶液模型計(jì)算了Ti/Al混合粉末在球磨過程中形成固溶體的穩(wěn)定性，并在此基礎(chǔ)上提出了一種利用(Al摩爾比，溫度)坐標(biāo)模式判斷固溶體穩(wěn)定性的新方法。 2)利用熱壓反應(yīng)燒結(jié)成功地制備了Ti3Al/TiC+Al2O3