SiC連續(xù)纖維增強Ti基復(fù)合材料的界面擴散行為研究.pdf

1、SiC連續(xù)纖維增強Ti合金基復(fù)合材料(TMCs)具有高的比強度和比模量，被大量應(yīng)用作航空航天結(jié)構(gòu)材料。但是由于鈦的化學(xué)活性，在復(fù)合材料的復(fù)合固結(jié)及高溫服役條件下，SiC/Ti合金的界面處存在嚴重的界面反應(yīng)，形成一些脆性舶界面反應(yīng)化合物，他們分布在界面的幾層反應(yīng)產(chǎn)物中。這些脆性的反應(yīng)產(chǎn)物可能成為裂紋源，顯著降低復(fù)合材料的機械性能。 SiC/Ti基體的界面反應(yīng)是一個反應(yīng)擴散問題，由于涉及界面反應(yīng)擴散的組元、影響因素很多，形成的反應(yīng)產(chǎn)

2、物層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，擴散系數(shù)的求法很困難。本論文通過SiC/TA1擴散偶及不同SiC連續(xù)纖維增強TA1、Ti6A14V、Super α<,2>和Ti<,2>AlNb基復(fù)合材料的制備及熱處理試驗，運用SEM、TEM、EDS和XRD技術(shù)對界面反應(yīng)區(qū)的形貌、元素分布及成分進行分析，來探討復(fù)合材料界面反應(yīng)產(chǎn)物的形成序列以及反應(yīng)元素的擴散路徑。運用Fick第二擴散定律和半無限擴散偶在三元多相擴散系中的高斯解法，求解簡單界面反應(yīng)產(chǎn)物層和復(fù)雜界面反應(yīng)層中相

3、關(guān)元素的擴散系數(shù)，從微觀機制方面討論界面反應(yīng)產(chǎn)物的生長特點及反應(yīng)元素的擴散特性。 SiC/TA1復(fù)合材料界面反應(yīng)擴散的路徑為：SiC｜Ti<,3>SiC<,2>｜Ti<,5>Si<,3>C<,x>｜TiC+Ti<,5>Si<,3>C<,x>｜TA1；SiC/Ti6Al4V復(fù)合材料界面反應(yīng)擴散的完整路徑為：SiC｜Ti<,3>SiC<,2>｜Ti<,5>Si<,3>C<,x>｜TiC｜Ti<,3>Si｜Ti6Al4V+TiC；對于

4、含有C涂層的SiC纖維增強Ti6Al4V復(fù)合材料，當(dāng)C被完全消耗完之后，反應(yīng)擴散的路徑為：SiC｜Ti<,3>SiC<,2>｜Ti<,5>Si<,3>C｜TiC｜Ti6Al4V；SCS-6 SiC纖維增強Ti-Al金屬間化合物基復(fù)合材料界面反應(yīng)擴散的路徑為：SCS-6 SiC｜(Ti,Nb)C｜(Ti,Nb)<,5>(Al,Si)<,3>C<,x>｜(Ti,Nb)C｜(Ti，Nb)<,3>(Si,Al)｜Super α<,2>(Ti<,

5、2>AlNb)+Ti<,3>AlC。 在實驗條件下，對于含有C涂層的SiC纖維增強Ti基復(fù)合材料，當(dāng)C涂層沒有被消耗完之前，界面反應(yīng)產(chǎn)物層的生長符合拋物線規(guī)律，當(dāng)C涂層被完全消耗完之后，界面反應(yīng)產(chǎn)物層的生長速率急劇上升，不滿足同一的拋物線規(guī)律。對于不含C涂層的SiC纖維增強Ti基復(fù)合材料，界面反應(yīng)產(chǎn)物層的生長均遵循拋物線生長規(guī)律，其界面反應(yīng)層的生長激活能順序為：Q<'k><,TA1><,Ti6Al4V><

6、,Ti600><,Superα<,2>>。因此SCS-6 SiC/Ti-Al金屬間化合物復(fù)合材料具有良好的界面穩(wěn)定性和相容性。計算得出的擴散元素濃度分布圖與實測值吻合的較好。由擴散控制的界面反應(yīng)產(chǎn)物的生長特點是Ti<,3>SiC<,2>具有層狀結(jié)構(gòu)，TiC具有等軸狀結(jié)構(gòu)。C原子主要通過間隙擴散機制進行擴散，而Si原子主要通過空位機制進行，但是在細小晶粒的Ti<,3>SiC<,2>中，晶界擴散占主導(dǎo)作用。C和Si原子在TiC層

7、中具有最小的擴散系數(shù)，復(fù)合材料界面反應(yīng)過程中，反應(yīng)元素擴散通過TiC層的擴散是一個控制步驟。 根據(jù)柯勒(Kolher)對稱熱力學(xué)模型，同時借助于米德瑪(Midema)生成熱模型，從熱力學(xué)上推導(dǎo)出三元體系的計算公式，得出 Ti6Al4V、Ti600、Super α<,2>和Ti<,2>AlNb四種基體合金系中各組元的活度系數(shù)以及活度相互作用系數(shù)，利用擴散系數(shù)的熱力學(xué)因子和組元的示蹤擴散系數(shù)及自擴散系數(shù)，進一步得到基體合金系中相關(guān)組

8、元的互擴散系數(shù)。Ti元素的活度系數(shù)順序為：γ<,Ti in Ti6 Al4V>>γ<,Ti in Ti600>>γ<,Ti in Super α<,2>>>γ<,Ti in Ti<,2>AlNb>，主要的合金元素A1在四種基體中的互擴散系數(shù)的順序為： D<,Al in Ti600>>D<,Al in Ti6 Al4V>>D<,Al in Superα<,2>>>D<,Al in Ti<,2>AlNb>。 通過TA1/Ti6Al4

9、V擴散偶的制備及熱處理試驗，探討復(fù)合材料制備過程中的擴散連接問題。根據(jù)求得的溶質(zhì)元素的互擴散系數(shù)，通過唯象公式的Matlab偏微分方程組的數(shù)值解法，得出擴散元素在連接界面處的理論濃度分布圖。實驗值與理論模擬結(jié)果吻合得很好，因此能夠很好的預(yù)測擴散連接界面相關(guān)擴散元素的濃度分布。 研究了SCS-6 SiC/TiB<,2>/Super α<,2>復(fù)合材料的界面反應(yīng)及產(chǎn)物相的形成，探討TiB<,2>障礙涂層的作用機理。在TiB<,2>涂

10、層沒有被消耗完之前，它阻止了C原子的擴散，但不能阻止Ti及合金元素原子的擴散，當(dāng)TiB<,2>涂層被消耗完之后，由于生成的TiB對C、Si、Ti及合金元素原子的互擴散沒有阻礙作用，界面反應(yīng)程度顯著增強。從SCS-SiC纖維到Super α<,2>基體，其界面反應(yīng)產(chǎn)物分別為SCS-6SiC｜TiC+Ti<,5>Si<,3>｜TiC｜Ti<,3>Si｜TiB｜Ti<,3>AlC｜Superα<,2>。B原子在TiB<,2>中的擴散垂直于該層