（材料学专业论文）放电等离子烧结（sps）制备陶瓷颗粒增强tial金属间化合物基复合材料的研究.pdf

摘要 本研究基于目前国内外对t i a l 及其复合材料研究动态的基础上，采用放电等离 子烧结技术( s p s ) ，利用t i a i 、t i c 及其n b 、b 合金元素，基于材料复合和合金化的 思路，首次探索制备t i c t i a i 、t i 2 a l c f r i a l 金属间化合物基复合材料，旨在通过t i c 和t i 2 a 1 c 陶瓷颗粒来提高t i a l 金属间化合物的室温强度，改善其室温韧性，并探讨 其强韧化机理。 采用放电等离子烧结( s p s ) 技术，首次制备了不同t i c 含量的t i c t i a l 复合材料， 并研究了t i c 含量对复合材料力学性能的影响。t i c t i a i 复合材料的抗弯强度和断裂 韧性均随t i c 的加入量，先增加后降低，并在t i c 含量为7 时，复合材料的综合力 学性能达到最佳值，弯曲强度为8 4 5 4 7 m p a 、断裂韧性值达到1 9 8m p a m “2 。与t i a i 金属间化合物相比，室温抗弯强度提高3 1 5 ，断裂韧性提高6 3 6 ，复合材料的显 微硬度随t i c 含量的增加而提高。x r d 分析表明，所得的复合材料中含有t i a t 、t i c 和少量t i 3 a 1 。 在t i c t i a i 复合材料中，大部分t i c 颗粒均匀弥散分布在t i a l 晶界，少量小尺 寸颗粒存在于t i a i 基体内部，形成包晶结构；在烧结过程中t i c 可以阻碍t i a i 晶粒 的氏大，显著细化了t i a i 基体组织，同时形成了有效的位错强化机制。细晶强化、 弥散强化以及位错的偏析、塞积，被钉扎以及各种位错的交互作用是复合材料增强增 韧的主要机制。 利用s p s 制备t i c t i a i 复合材料的基础上，创新性的研究合金元素n b 、b 对复 合材料力学性能的影响，制备出t i 2 a i c t i a l 复合材料。实验结果表明：与掺量为 7 t i c 的复合材料相比，制各t i 2 a i c t i a i 复合材料的力学性能显著提高，单掺n b 、 b 制各的t i 2 a 1 c t i a l 复合材料的弯曲强度由原来的8 4 5 4 7 2 m p a 分别增加到9 15 m p a 、 9 0 6 m p a ，提高了8 2 7 、7 1 l 。断裂韧性则由1 9 8 m p a m 增加到2 2 8 9 m p a m m 、 2 4 6 3 m p a m “2 ，分别提高1 5 6 、2 4 3 9 。 通过设计正交实验研究了合金元素n b 、b 、t i c 的含量及烧结温度对复合材料 力学性能的影响，从而确定t i 2 a i c t i a i 复合材料制备的最佳方案：t i c 颗粒以及 合金元素n b 、b 掺入的最佳比例为7 、5 、0 3 5 ，烧结温度为1 1 0 0 。c ；复合材 料的力学性能显著提高，断裂韧性高达2 6 7 8 m p a m m ，弯曲强度为9 5 4 3 2 m p a ，比 t i c t i a l 复合材料分别提高了3 5 2 5 、1 2 8 7 ，而复合材料的显微硬度的提高则不 是很显著。 合金元素n b 、b 的对t i a l 基复合材料的影响主要存在两个方面：一方面有效改 1 放电等离子烧结( s p s ) 制备陶瓷颗粒增强t i m 金属间化合物基复合材料的研究 善复合材料中t i c 与t i a i 界面结合情况，即通过形成界面产物t i 2 a i c ，改善t i a i 与 t i c 物相润湿陛。x r d 衍射分析表明复合材料体系物相含有t i a l 、t i 2 a i c 和少量t i 3 a 】 物相。原位生成三元化合物t i 2 a i c ，与基体有着较好的界面结合，同时也是一种比较 理想的陶瓷增强颗粒，有效改善了两相界面的高温润湿性的同时起到了很好的增强作 用。 另一方面合金元素n b 、b 的掺入可以有效强化基体，改善基体性质。n b 原子通 过占据t i 原子的位置采取置换固溶的方式进入t i a i 晶格，而b 原子由于半径比较小， 所以采取间隙固溶的方式进入晶格，并分别通过置换强化与固溶强化机制改善复合材 料t i a l 金属间化合物的性质，有利于t i 2 a 1 c t i a i 复合材料力学性能的提高。 h r e m 观察分析知t i 2 a i c 0 0 0 ) 晶面间距为o 2 6 4 8 n m ，t i a i ( 1 1 0 ) 的晶面问距为 o2 9 9 1 n m ，沿相界两侧的原子部分互相匹配，形成半共格关系。因此可以计算界面品 格错配度6 = 1 2 1 为半共格结构。复合材料中t i a l 晶界，经测量晶面间距分别为 0 2 4 6 2 n m 、o ，2 6 3 1 n m ，界面错配度为5 = 6 ，6 ，因此证明界面结合为共格界面。通过 过渡区域的i f f t 观察可以看出晶界的结合存在一定的畸变，原子排列总体上是 对应的，形成共格关系。 关键词：金属间化台物；t i a i 基复合材料；放电等离子烧结技2 t ( s p s ) ：力学性能 合金元素； i i 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nc o m p r e h e n s i v er e s e a r c ha b o u tt i a li n t e r m e t a l l i ca n dt i a l b a s e dc o m p o s i t e s i nt h ew o r l d ，t i c t i m , t i 2 a i c j t i a tc o m p o s i t e sf o rt h ef i r s tt i m ew e r ep r e p a r e db ys p a r k p l a s m as i n t e r i n gt e c h n i q u e ( s p s ) w i t ht i a l ，t i ca n da l l o y i n ge l e m e n t sn b ，ba sr a w m a t e r i a l si nv i e wo ft h ei d e ao fa l l o y i n gm a t e r i a l sa n df a b r i c a t i n gc o m p o s i t e s b yt h i sw a y 。l i a li n t e r m e t a l t i cr e i n f o r c e db yt i co rt i a a i cp a r t i c l e sc o u l ds h o wh i g h e rr o o ms t r e n g t h a n dt o u g h n e s s ，t h i sk i n do fm e c h a n i s mo fs t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n gw a sd i s c u s s e di n t h i sp a p e r t i c t i mc o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n ta m o u n to ft i cw e r ef a b r i c a t e db yt h et e c h n i q u eo f s p a r kp l a s m as i n t e r i n g ( s p s ) b o t hb e n d i n gs t r e n g t ha n df r a c t u r et o u g h n e s si n c r e a s e da t f i r s ta n dt h e nd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt i c ，g i v i n gm a x i m u mv a l u e so f8 4 5 4 7 m p a 、 1 98 m p a m ma t7 w t t i c 3 1 5 a n d6 3 6 h i g h e rc o m p a r e dw i t ht h e s eo fp u r e t i mm a t r i x t h em i c r o h a r d n e s so f c o m p o s i t e si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft i c x r d r e s u l t ss h o w e dt h a tt i c t i mc o m p o s i t e sc o n s i s t e do ft i a l ，t i ca n das m a l la m o u n to f t i 3 a 1 m o s tt i cp m - t i c l e sm a i n l yl o c a t e da r o u n dg r a i nb o u n d a r i e so ft i mm a t r i x ，f e w s m a l l e r p a r t i c l e s w e r e w r a p p e d i n t ot h ei n s i d eo f m a t r i x ，f o r m i n g ak i n do f p a r t i c l e - w r a p p e ds t r u c t u r e i nt i c t i mc o m p o s i t e s ，t i cp a n i c l e sd i s p e r s e de v e n l ya n d s i g n i f i c a n t l yr e f i n e dg r a i ns i z e so ft i a im a t r i x ；m e a n w h i l et h e ye f f e c t i v e l yi n t r o d u c e dt h e m e c h a n i s mo fd i s l o c a t i o n s t r e n g t h e n i n g s o m es t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s ms u c ha s g r a i n r e f i n e m e n t ，d i s p e r s e d s t r e n g t h e n i n ga sw e l la st h ed e f l e x i o no fd i s l o c a t i o n ，p i n n e d d i s p l a c e m e n t ，a l s oi n c l u d i n go t h e ri n t e r a c t i o n sb e t w e e nd i f f e r e n tk i n d so fd i s l o c a t i o n s w o u l d i m p r o v em a t e r i a l s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， o nt h eb a s eo ff a b r i c a t i n gt i c m a i c o m p o s i t e s t h el n f l u e n c eo fn b 、b 0 1 3 , t h e m e c h a n i c a ls t r e n g t hw a s i n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft i 2 a i c t i a l c o m p o s i t e sw i t ht r a c ee l e m e n t sn b 、bw e r ei m p r o v e di n c o m p a r i s o nw i t h t h e s eo f t i c t i mc o m p o s i t e s t h e b e n d i n gs t r e n g t hr e a c h e d9 1 5 4 6 m p a 、 9 0 5 6 9 m p ar e s p e c t i v e l yw i t ht h es i n g l ea d d i t i o no fn ba n db ，w h i c hw a si n c r e a s e d8 ，2 7 ，7 1 1 c o m p a r e dt o 8 4 5 4 7 m p ao ft i c t i a l c o m p o s i t e s f r a c t u r et o u g h n e s sw a s i m p r o v e df r o m1 9 8 m p a m m t o2 2 8 9 m p a m a n d2 4 6 3 m p a ，m t 2a n di n c r e a s e d 1 5 6 、2 4 3 9 r e s p e c t i v e l y o r t h o g o n a ie x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fn b 、ba n dt i c0 n i i l 放电等离子烧结( s p s ) 制备陶瓷颗粒增强t i m 金属间化台物基复合材料的研究 m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t e s n l er e s u l t ss h o w e dt h a tc o m p o s i t ew i t h7 t i c 、 5 n ba n d0 3 5 b ( w ) s i n t e r e da tl1 0 0o cs h o w e dt h em o s te x c e l l e n tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t h eb e n d i n gs t r e n g t ha n df r a c t u r et o u g h n e s sr e a c h e da sh i g ha s9 5 4 。3 2m p a ， 2 6 7 8 m p a m “。r h s p e c t i v e l y , i n c r e a s e d 12 8 7 a n d3 5 2 5 c o m p a r e dw i t ht i c t i a i c o m p o s i t e s n oe v i d e n tc h a n g eo f t h em i c r o h a r d n e s sc o u l db ef o u n d ，h o w e v e r , o nt h eo n eh a n dt h ea d d i t i o no fn ba n db s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d t h er e a c t i o na l o n g t h ei n t e r f a c e ，r e s u l t i n gi naf u l lr e a c t i o no ft i ca n dt i a i n ei n s i t u g e n e r a t e dt e r n a r y c o m p o u n dt i 2 a 1 cp o s s e s s e dc o v a l e n ta n dm e t a l l i cb o n d ，g i v i n gag o o dc o m b i n a t i o nw i t h t h em a t r i x i nt h e m e a n t i m e ，t h e ya c t e d a s s t r e n g t h e n i n gp a r t i c l e s ，w h i l ee f f e c t i v e l y i m p r o v i n g t h eh i g h - t e m p e r a t u r ew e t t i n ga b i l i t ya sw e l la st o u g h i n gt h ec o m p o s i t e o nt h e o t h e rh a n dn ba n dbc o u l di m p r o v et h ep r o p e r t i e so ft h em a t r i x n ba t o m st o o kt h ep l a c e o ft h es i t u a t i o no ft ia t o m t h e ni n c o r p o r a t i n gi n t ot h el a t t i c eo ft i a lw h i l eba t o m s d i r e c t l yt o o ku p t h eh o l e so ft i a l l a t t i c e t h e r e f o r es o l i ds o l u t i o nw a sf o r m e d x r dr e s u l t s s h o w e dt h ec o m p o s i t eo n l yc o n t a i n e dt i a l ，t i z a i ca n das m a l lm o u n to f t i 3 a l ，n on b a n d bc o u l db ed e t e c t e dw h i l ee d a x s p e c t r u ms h o w e d t h ep e a ko f n b ，i n d i c a t i n gt h a tn b h a d e n t e r e di n t ot h et i a lc r y s t a l l i n el a t t i c e bc o u l dn o tb ed e t e c t e db ye d a xb e c a u s eo fi t s l o wc o n t e n ta n dl o wa t o m i cn u m b e r h r e m i m a g e so f t h ei n t e r f a c eb e t w e e nt i a ic r y s t a l s t i 2 a i ca n dt i a lh a db e e no b t a i n e d t h ed - s p a c eo ft i 2 a i c ( 1 0 0 ) a n dt i a i ( 1 1 0 ) w a sm e a s u r e da so 2 6 4 8 n ma n d 0 2 9 9 1 n m t h ea t o ma r r a n g e m e n tb e s i d et h ei n t e r f a c ew a so n l yp a r t l y c o r r e s p o n d i n g ， e x i s t i n ga t s e m i c o h e r e n ts m t e a1 2 1 m i s m a t c hd e g r e eo f6w a sc a l c u l a t e d o nt h e t r a n s i t i o na r e ao f p h a s ei n t e r f a c e ，t h et r a n s f o r m a t i o no f f f t i f f tw a sp e r f o r m e di no r d e r t og e tm o r ec l e a rm o r p h o l o g i e so f p h a s ei n t e r f a c e a st ot h eg r a i nb o u n d a r i e st h ed - s p a c e o ft i a lw a so 2 4 6 n ma n d 0 2 5 4 n m 1 e a d i n g t os o m ed i s l o c a t i o n s a6 6 m i s m a t c hd e g r e e o f6w a sc a l c u l a t e d k e y w o r d s ：i n t e r m e t a l l i c ；t i a i - b a s e dc o m p o s i t e ；s p a r kp l a s m as i n t e r i n g ；m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ；t r a c ee l e m e n t s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：甚驾盗 日期：辨，r 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者虢塑堕聊签名弛吼迦丝墨尊 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 高温结构材料的研究、发展和应用是和航空、航天工业的发展息息相关的，也是 2 l 世纪航空航天推进系统实现革命性变革和发展的关键因素。对于航空发动机而言， 发动机的温度和空气压缩比与燃料消耗速率和发动机的推力直接相关，提高工作温度 和减轻发动机部件的质量是改善现有发动机的性能、研究高推重比新型发动机的两项 主要措施。此外，对于汽车工业来说，研制低噪音、高效率的汽车发动机是降低噪音、 减少废气排放量、改善汽车性能的重要措施。提高发动机的工作温度和减轻高温结构 材料的质量是实现这个目标的必由之路i “。金属间化合物的出现，为高温结构材料领 域的研究和应用展现了新的光明前景。 1 1 金属问化合物及其特1 生 金属间化合物是英国冶金学家于1 9 1 4 年第一次提出，这类化合物背离传统的化 学价的感念，按照金属键结合，并具有金属的特性。通常认为金属i 司化合物是由两种 或两种以上金属元素或金属元素与类金属元素按照一定的原子比组成的化合物，它具 备两个基本特征，其是成分严格限制在一个有限的范围内，其二是结构有序。通常 构成化合物的原子有序地排列在两个或两个以上亚点阵中，构成一个超点阵。原子f l i j 的键合不再仅仅是金属键，而且也包括离子键和共价键。金属间化合物的结构与组成 它的两金属组元结构不同，形成有序的超点阵结构，两组元原予各占据点阵的固定阵 点，最大程度地形成异类原子之间地结合，所以也称它们为有序金属间化台物口】。超 点阵结构是金属问化合物的重要特征，是金属间化合物各种优异性能的基础。 与传统的金属材料相比，金属间化合物有其自身特点和特殊规律，是一种高比强、 低塑性韧性合金。它的结构与组成它的两金属组元不同，具有许多特殊的物理和化 学性质，例如，独特的电学性质、磁学性质、光学性质、声学性质、电子发射性质、 催化性质、化学稳定性、热稳定性和高温强度等。与传统的固熔体材料相比，金属间 化合物材料具有许多优良性能，例如，一般固熔体的强度随温度升高而降低，但某些 金属间化合物的强度随温度升高而升高，这就使其具备作为高强度结构材料的基础： 许多稀土金属间化合物具有异常大的因瓦效应、艾林瓦效应、霍尔效应、磁卡效应和 磁光效应等。金属间化合物特有的优异性能预示着其在航空、航天和汽车等高技术领 域的广泛应用前景。 综观国内外金属间化合物结构材料领域研究的成果，最主要有两个方面：新型金 属问化合物的发展和有序金属间化合物物理金属学理论j 。以铝化物为基的金属问 墼皇墼墼些堂垒丝墼鬯丝墅些些塑些篁鳖垦鱼丝些垦一 化合物最有希望被开发成为一类新型高温结构材料，与高强度镍基高温合金相比具有 更高的高温强度，优异的抗氧化和抗腐蚀能力，比较低的密度和高的熔点，可以在更 高的温度和恶劣的环境气氛下工作。目前国际上集中研究和开发的铝化物见表1l 。 金属间化合物长期以来未能发展成为一类有实用价值的工程结构材料，最主要的 障碍是常温脆性问题。不同金属间化合物脆性的原因是不同的，有些是由于晶界脆性 引起的，如多晶n i 3 a l ，有些是由于晶体结构造成的，对称性低和复杂的晶体中滑移 系不足是导致脆性的一个重要因素，也可能是由于其它因素导致的，如环境氢脆。作 为高温结构材料，如何利用、开发这些化合物的优良性能，并能有效改善、消除那些 不良性能，是广大科技工作者需要解决的问题。 表1 j 几种铝化物的特征 t a b l e1 1t h ec h a r a c t e ro fs o m ea l u m i n i d e s 注：e 为杨氏模餐；p 为密度：t 。为熔点 1 2t i a l 金属间化合物的研究现状 在众多的金属间化合物中，t i a l 系金属间化合物由于晶体中金属键与共价键共 存，使其有可能同时兼有金属的韧性及陶瓷的商温性能，以及由此产生的高的比强度、 比模量、良好的抗氧化性、抗蠕变性及优良的高温强度、刚度及低的密度等等，使之 优于目前广泛使用的金属及其合金，是一类很有发展前景的高温结构材料。 t i a l 系有多种金属间化合物，图1 1 是目前应用最广泛的t i a l 相图。其中t i a l 、 t i a l 、t i 3 a 1 是三种研究最广泛的钛铝金属闻化合物。具有l l o 晶体结构的a 1 3 t i 基合 金，曾经引起人们的兴趣，然而这些合金在室温拉伸时仍然很脆，到现在尚无改善的 办法，所以人们暂时放弃开发它们作为有实用价值的结构材料。q2 一y i 3 a i 和其复合材 料曾经是一类有希望的高温结构材料，但到目前为止它们仍然存在结构的不稳定性和 在恶劣环境和循环载荷下开裂等问题。由于y t i a 的特殊优点，逐渐成为人们研究 。，! ，。，：墼耋垄茎錾基耋彗銎篁耋。，。：一 的重点。 l 1 4 9 5 。：! ! 函螽 t i l3 6 6 s a l ，o _ t l l t i l t y ) 1 1 ir 5 t i3 a l o 。1 1 ( a2 ) 、 0 a 1 t i ，a t 图1i t i a 1 二元相酗【4 1 f i g 1 1t h ep h a s eo f b i n a r y t i a ia l l o y l0 0 t i l 2it i a i 金属间化合物的结构特点与性能 在t i a l 二元相图中，a l 含量在4 8 5 - - 6 6 ( 摩尔分数) 之间时，存在t i a i ( y ) 相。y 相呈有序面心四方结构，即l 1 0 结构，t i 、a i 原子交替占据( 0 0 2 ) 晶砸，- t i a i 的结构如图1 2 所示【5 1 ，其中a = 0 3 9 8 n m ，c = 0 ，4 0 4 n m ，e a = 1 0 1 5 。 t i o a l 圈1 2 t i a i 化台物l 1 0 结构图i 4 】 f i g 1 2 l 1 0s t r u c t u r ep i c t u r eo f t i a ic o m p o t m d h t i a i 基合金与普通钛合金、t i 3 a l 和镍基合金的性能比较如表1 2 所示引。由表中 可见，t i a l 基合金的抗蠕变和抗氧化性比普通钛合金好得多，与镍基合金相当，但其 密度不到镍基超合金的一半。7 - t i a l 比a 2 t i 3 a l 综合性能更优越，因为其具有更高的 3 哪 m 1 i l n p v hj一一h茸卜 整皇釜塞王垡笙垩墼些墼墼耋墼彗塑塑尘三皇堡堡笪筌鲨垒塞茎耋查璧塑墼垂玺一高温强度、高温抗氧化性及更低的材料密度。t i a l 基合金的主要应用优势在于睇1 ： f i ) t i a l 基合金较之航空发动机其他常用结构材料的比刚性高约5 0 。高刚性有利于 要求低间隙的部件如箱体、构件以及支撑件等更稳定，同时可以将噪声震动移至较高 频率而提高叶片等部件的寿命；( 2 ) t i a l 基合金6 0 0 7 5 0 。c 的良好抗蠕变性能，使其 可能替代某些n i 基高温合金部件( 重量减轻一半) ；( 3 ) t i a l 基合金具有良好的阻燃能 力可替换一些昂贵的阻燃设计t i 合金。 表1 , 2 普通钛合金、t i 3 a i 、t i m 和镍基台金性能比较2 1 t a b l e12t h ec o m d a r i s o nb e t w e e nt 1 3 a j ，t i a i ，c o m m o na l l o yb a s e d o nt i a n t i u ma n dn i c k e i 【2 但是，和其它金属间化合物一样，7 - t i a l 也存在严重的室温脆性问题。目前，7 - t i m 基合金脆性原因还不能从原子角度得到很好的解释【6 】，一般认为其脆性是因为7 - t i m 晶体结构本身引起的。 y t i a l 属于有序面心正方结构，轴比c ，a 为1 0 1 5 ，t i 原予占据角顶和上下两个 面心位罱，a l 原子占据4 个侧面面心位置，从而形成了t i 原子和a l 原子在( 0 0 2 ) 面 的层状结构。其( 1 1 1 ) 面的原子排列方式如图1 3 所示。 7 - t i a l 晶体在 1 1 1 ) 面存在两种位错滑移模式： 1 1 1 ) 1 1 0 】普通位错滑移和 1 1 l 1 0 1 】超位错滑移， 1 0 1 超位错滑移时会分解成两个1 2 1 0 1 不全位错，中间夹 着反相畴区a p b ，而每个l 2 1 0 1 】不全位错又分解成两个s h o c k l l e y 不全位错，中间 4 济南大学硕士学位论文 夹着a p b 和堆垛层错( s f ) 即扩展位错。因此一个 1 0 1 1 超位错是由两个扩展位错中间 夹着a p b 组成的，如图1 4 所示。这种结构的位错是很难滑移的。另外，量子力学 计算的电子云分布研究表明，t i t i 键要强于t i a l 键，所以受t i t i 键结合影响的 1 2 8 ( 原子) 将极大地改善抗氧化能力。 1 3 ( 原子) 可提高双态合金的塑性。 1 3 ( 原子) 可提高舣态合金的塑性；降低抗氧化性。 极大地改善合金的抗氧化性，提高合金的高温强度及抗蠕变性。 明显改善台金的抗氧化性及抗蠕变性能。 可提高细品台金的塑性和强度，改善合金抗氧化性 0 5 1 ( 原子) 改善抗蠕变能力及抗氧化性； s i 可提高浇注流动性并降低热裂敏感性 提高浇注流动性及热裂敏感性 o 5 ( 原子分数) 可细化晶粒，提高强度及热加【：性； b 合金化极大地改善铸造性能 明显改善抗蠕变性能，但对塑性不利 1 3t i a l 基复合材料的研究现状 1 3lt i a i 基复合材料 金属间化合物的研究突破，也给复合材料的发展开辟了一个新的领域。由于金属 间化合物原子的长程有序排列和原予间金属键和共价键共存的特性，其实用温度可介 于金属超硬合金和陶瓷之间。金属间化合物相对于金属它是脆性材料，而相对于陶瓷 它又具有一定的塑性。利用金属间化合物的性能介于金属和陶瓷之间的特点，制备金 属间化合物陶瓷复合材料可使其各自的缺点通过彼此的优点所弥补。 金属间化合物陶瓷复合材料可以分为两类，即陶瓷基复合材料和金属问化合物 摹复合材料，后者是利用陶瓷来提高金属间化合物材料的强度、抗氧化性和高温强度。 国内外普遍认为开发研制以t i a l 为基体的颗粒、纤维强化型复合材料是促进其 实用化的重要手段【2 ”。在保证低密度的同时，t i a i 金属间化合物与陶瓷增强材料相 结合的复合材料表现出更高的耐高温性能，并且其单位密度性能值显著的超过镍基超 高合金。在t i a l 中添加s i c 、a 1 2 0 3 等陶瓷纤维和w 、m o 、t i 等金属纤维的连续增 强剂，高强度的长纤维可以承受很高的负荷，或者添加s i c 、t i b 2 、a 1 2 0 3 等陶瓷颗 舭 o w 趼 n o c 垫皇釜塞王坐茎! ：暨二型垒堡堡塑茎塑塞皇些圣塞星堡塞童篓堡譬垂塑堑塑型塑圣。：。， 粒，使t i a i 材料在韧化的同时，强度也有较大的提高。胡世平旺6 】等人采用真空热压 法在1 2 0 04 c ，保温2 ，5 h 的条件下制备的t i 纤维增强t i a l 基复合材料的弯曲强度为 5 5 0 m p a ，比基体提高2 2 5 ，而涂覆a 1 2 0 3 的t i 用a l 复台材料 2 7 1 的弯越强度为 5 7 3 m p a 。张全成 2 8 1 等人采用粉末冶金- 热压成型工艺制备的1 2 v o i t i n b t i 4 8 a i 一2 c r - 2 n b 复合材料，其弯曲强度为7 0 0 2 m p a ，断裂韧性值为 19 2 m p a m 忱。 但是，由于界面、热膨胀系数匹配、以及纤维分散等问题使纤维增强t i - a 1 复合 材料是否能在实际中应用尚待深入研究。与长纤维相比，陶瓷颗粒增强相与基体热膨 胀系数不匹配的敏感性与反应性均较小【2 9 】，劳且复合材料的制备工艺简单，能够克服 纤维增强复合材料生产过程中存在的诸如纤维损坏，微观组织不均匀；纤维与基体的 反应带过大等缺点。因此，陶瓷颗粒增强金属间化合物基复合材料有着较好的工业化 应用前景。 表1 4 增强颗粒的主要特性【3 0 i t a b l e1 4m a i nc h a r a c t e r i s t i c so fr e i n f o r c i n gp a r t i c l e s 莉r 1 面而万可矿巧舔两一- 百丽丁 由于人们总是期望把t i a i 基复合材料用于苛刻的高温环境下，且服役时问较长， 为此，增强体与基体之间必须具有良好的化学相容性和机械相容性，这是适当选择增 强体的关键。目前，被认为应用在t i a i 基体中的增强相主要有a 1 2 0 3 、t i b 2 、s i c 、 n 5 s i 3 、t i c 、t i 2 a 1 c 等等【3 0 j 。表1 4 列出了这些增强颗粒的一些特性。 c h r i s t o d o u l o u 等人 3 1 - 3 3 】利用x d 工艺制备t i b 2 t i a i 复合材料的研究表明，利用 x d 工艺在t i a 1 基体中引入弥散分布的t i b 2 颗粒，使其拉伸强度得到改善，而其它 性能并未降低。对于6 v 0 1 t i b 2 t i 一4 7 a i 复合材料经1 2 0 0 5 0 h 热处理后，其持久寿 命显著提高，远高于t i 4 7 a 1 基体材料。造成以上实验结果的原因，主要是由于材料 的显微组织变化而引起。在铸造状态下，基体的显微组织是毗 层片状和等轴状的 棍台物，但含t i b 2 复合材料的铸造组织是含相当细的0 t 2 晶粒，并且它分布在粗大的、 连续的t 基体上。在锻造及热处理过程中，颗粒增强复合材料易发生动力学再结晶， 从面使层片状结构逐渐向颗粒状转变。当在1 2 0 0 。c 下热处理5 0 小时，其层片状结构 济南大学硕士学位论文 完全转变为等轴状晶粒，同时a 2 和y 晶粒有长大趋势，但t i b 2 却对这种长大起阻碍 作用。细小的等轴晶有较高的蠕变抗力，所以热处理提高了复合材料的持久寿命。 采用原位反应技术制备t i b 2 t i a l 的复合材料【3 4 j 具有足够高的强度，1 5 v 0 1 t i b 2 含量的复合材料的室温抗弯强度比基体提高5 0 ，达到8 6 8 m p a 。分析认为，原位生 成的t i b 2 在t i m 基体中分布比较均匀，表现出相当好的热稳定性，弥散增强效果更 明显，因而对基体的强度改善很大。 w r w r z e s i n s k i 等人【 5 j 利用s h s 法成功地合成了s i c p t i a i 、a 1 2 0 3 n a j 复合 材料，发现t i a l 基体具有较高的持久强度，当s i c 与a 12 0 3 的含量分别为1 0 t 0 0 1 、 5 m 0 1 时，s i c t i - a 1 和a 1 2 0 3 t i a i 复合材料的强度最高。但是，用s h s 法合成的 s i c t i a i 、a 1 2 0 3 t i a i 复合材料强度均低于其基体的强度。 j cr a w e r s 等人1 3 6 ，37 j 向等摩尔比t i - a l 粉末中加入s i c ，分别采用反应热压和自 蔓延燃烧合成制备了s i c t i a l 复合材料。在自蔓延燃烧合成中，s i c 含量对燃烧温度 和燃烧波速影响不大。这是因为s i c 与t i 反应生成t i 5 s i 3 ，这是一个高放热反应，可 以平衡被s i c 吸收的热量。x r d 显示，此法制得的复合材料含多种相，女u7 f i 5 s i 3 、 t h a l 2 c 2 、t i 3 a l 、t i m 等，t i 5 s b 生成量随s i c 加入量增大而增大。热压工艺中，直 到压坯整体预热到6 6 0 。c 反应才以热爆方式开始，因此体系达到的燃烧温度更高，反 应也较自蔓延燃烧台成更趋于彻底，自蔓延燃烧合成产物中仍残留的中i n j 十l it i m 3 至 此完全消失。当s i c 分数不高时，在s i c 表面形成t i 5 s i 3 薄层可提高材料的抗弯强度， 三点弯曲测试显示，1 0 m o l s i c 强度最高。 r a w e r s 3 6 1 向等摩尔比t i a l 粉末中加入a 1 2 0 3 ，分别采用反应热压和自蔓延燃烧 合成制备了a 1 2 0 3 t i a i 复合材料。在自蔓延燃烧合成中，燃烧温度和燃烧速度均随外 加a 1 2 0 3 含量增加而降低，且当a 1 2 0 3 达2 0 m o i 时，燃烧波将自行熄灭。三点弯曲 测试显示，5 m 0 1 a 1 2 0 3 强度最高。 v e n k a t e s w a r a i ”j 利用真空热压法制造t i n b 7 t i m 复合材料。比较基体y - t i a l 与 t i n b 7 t i a i 复合材料的断裂韧性发现，基体7 - t i m 开始产生裂纹时的断裂韧性为 8 m p a m “2 ，而t i n b 7 - t i a i 复合材料为1 5 m p a i t i “2 。导致t i n b 7 一t i a l 复合材料断裂 韧性大幅度提高的原因是因为裂纹尖端带状塑性t i n b 相形成“桥”区与裂纹交互作 用，使得裂纹扩展受阻，扩展方向发生偏转，或重新形核等。 陶春虎口8 j 等人利用t i 、a l 、c 粉末，采用x d2 1 2 艺在l1 7 3 k 下原位合成了t i c t i a i 复合材料，其研究表明复合材料物相由t i c 、t i m 和少量t i 3 a l 组成，并测试了t i c t i a l 的显微硬度。 9 0 年代初，m a b u c h i 等人【3 9 用t i 、a l 、c 元素粉末，采用s h s 法同电弧熔炼铸 造技术相结合的方法，制备出密实的t i a i t i 2 a i c 复合材料：m e i 等【4 0 1 用t i 、a i 、t i c 粉末通过放电等离子烧结法( s p s ) 方法合成了致密t i a i t i 2 a 1 c 复合材料，并测试了热 9 放电等离子烧结( s p s ) 制各陶瓷錾粒增强t i a i 金属闯化合物基复合材料的研究 处理前后复合材料的弯曲强度。研究结果表明：弯曲强度在t i c 含量为7 v 0 1 时达到 最高值9 0 0 m p a ，显示了t i 2 a i c 较好的增强效果。 13 2 颗粒增强t i a l 基复合材料存在的问题 在t i a i 基体中弓l 入第二相的陶瓷颗粒后，复合材料的强度和韧性在一定程度上 得到了相应的改善，但由于该领域的研究工