放電等離子Ti-,3-AlC-,2--TiB-,2-復(fù)合材料制備及其性能研究.pdf

1、Ti<,3>AlC<,2>是一種新型的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，由于其兼具了金屬和陶瓷材料的諸多優(yōu)異性能而成為材料研究人員研究的焦點(diǎn)。它像金屬材料一樣，在常溫下，有很好的導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能，相對(duì)較低的Vickers硬度和較高的彈性模量，在常溫下有延展性；同時(shí)，它具有陶瓷材料的性能，有高的屈服強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、高熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化性能，在高溫下能保持高強(qiáng)度。更為重要的是，它不同于傳統(tǒng)碳化物陶瓷，可以像金屬一樣，用傳統(tǒng)的加工方式進(jìn)行加工，并且具有比Mo

2、S<,2>和石墨更低的超低摩擦系數(shù)和優(yōu)良的自潤(rùn)滑性能。這些優(yōu)異的性能使其成為新材料研究中的重要對(duì)象。然而，由于其硬度低以及較低的抗蠕變強(qiáng)度，極大地限制了<,3>AlC<,2>作為高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。 在基體材料中引入第二相是一種提高材料性能的方法。TiB<,2>是一類具有許多優(yōu)良的性能的陶瓷，如高熔點(diǎn)、高硬度、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗腐蝕性好、具有剛度、耐磨性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱等特性。更為重要的是，TiB<,2>與Ti<,3>AlC<,2>的

3、結(jié)構(gòu)很相似，都屬于六方晶系，而且兩者的熱膨脹系數(shù)很接近，因此，在Ti<,3>AlC<,2>基體中引入TiB<,2>來(lái)改善Ti<,3>AlC<,2>材料的硬度和強(qiáng)度，從而制備Ti<,3>AlC<,2>/TiB<,2>復(fù)合材料。研究其合成材料的相形成規(guī)律、顯微結(jié)構(gòu)特征和性能。 本文采用原位技術(shù)結(jié)合放電等離子燒結(jié)工藝合成Ti<,3>AlC<,2>/TiB<,2>復(fù)合材料，在Ti<,3>AlC<,2>/TiB2復(fù)合材料的合成過(guò)程中，添加

4、Si作為合成助劑，在1250℃下引入不同體積含量的5-30vol.％TiB2成功地制各出致密的Ti<,3>AlC<,2>/TiB<,2>塊體材料。分析研究了Ti<,3>AlC<,2>/10vol.％TiB<,2>復(fù)合材料從600℃到1300℃范圍內(nèi)整個(gè)制備過(guò)程的相形成規(guī)律，同時(shí)結(jié)合SPS燒結(jié)過(guò)程中的參數(shù)變化分析了不同TiB<,2>含量對(duì)反應(yīng)合成的影響。結(jié)果表明： (1)采用原位技術(shù)結(jié)合放電等離子方法在1250℃下，30MPa壓力

5、和保溫8min下燒結(jié)，可以得到相對(duì)密度達(dá)98％以上的致密塊體Ti<,3>AlC<,2>/TiB<,2>材料；試樣的主晶相為Ti<,3>AlC<,2>和TiB<,2>兩相，存在少量的TiC雜質(zhì)相。 (2)SEM分析發(fā)現(xiàn)：Ti<,3>AlC<,2>晶體發(fā)育良好，晶體為層狀結(jié)構(gòu)，Ti<,3>AlC<,2>顆粒的厚度和長(zhǎng)度方向上的尺寸分別為5μm和15μm。隨著TiB<,2>體積含量的增加，TiB<,2>的過(guò)量引入抑制了Ti<,3>Al

6、C<,2>晶體的生長(zhǎng)。 (3)900℃之前，主要形成Ti-Al的金屬間化合物，并沒有其他明顯的產(chǎn)物生成；1000℃時(shí)，開始有少量的Ti<,3>AlC<,2>生成，1100℃時(shí)，Ti和B<,4>C開始反應(yīng)生成TiB<,2>相，在整個(gè)過(guò)程中，沒有發(fā)現(xiàn)Ti<,3>AlC<,2>和TiB<,2>之間有反應(yīng)發(fā)生。研究了Ti<,3>AlC<,2>/TiB<,2>復(fù)合材料的物理性能和常溫電化學(xué)腐蝕能力。在Ti<,3>AlC<,2>中添加TiB

7、<,2>能大幅度提高材料性能，當(dāng)TiB<,2>體積含量為30％時(shí)，Ti<,3>AlC<,2>/30vol.％TiB<,2>復(fù)合材料的Vickers硬度達(dá)到10.39GPa，電導(dǎo)率為3.7×10<'6>S/m：當(dāng)TiB<,2>的體積含量為10％時(shí)，抗彎強(qiáng)度為696MPa，斷裂韌性為6.6MPa·m<'1/2>，但隨著TiB<,2>體積含量超過(guò)10％后，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性均有所下降。電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)腐蝕電位大于1.5V時(shí)，Ti<,