（材料学专业论文）TiAlTilt2gtAlC复合材料的相形成规律及其微观结构研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 t i a l 基金属间化合物因具有优良的高温性能和较低的密度，从 而成为目前世界上研究最为热门的高温结构材料之一。然而，室温 脆性仍然是其实用化的主要障碍。而通过添加陶瓷颗粒制成金属间 化合物基复合材料可获得良好的力学性能，并同时保持基体密度低 等特点。 三元层状陶瓷t i 2 a i c 作为h 相的典型代表，兼具陶瓷和金属的 优点。在常温下，有很好的导热性能和导电性能，有较低的v i c k e r s 显微硬度和较高的弹性模量和剪切模量，像金属一样可进行机械加 工，并在较高温度下具有塑性；同时它又具有陶瓷的性能，有较高 的屈服强度、高熔点、高热稳定性和良好的抗氧化性能。因此，在 t i a l 基中引入一小部分的t i 2 a i c ，从而制备t i a i t i 2 a 1 c 复合材料， 就可能兼具两者的优性。 本研究采用三个系列配比：( a ) 以t i 粉和a l 粉为原料，研究 t i a l 间的反应；( b ) 以t i 粉、a l 粉和t i c 粉为原料，研究t i a 1 t i c 间的反应；( c ) 以t i 粉、a l 粉和活性c 粉为原料，研究t i a 1 c 间的 反应机理及与t i a 1 t i c 系统的关系。采用原位热压烧结工艺，通过 差热分析和x 衍射图谱，分析了6 0 0 13 0 0 不同烧结温度下。 烧结所得产物的相组成。重点探讨了该反应过程的相形成规律和反 应机理。通过扫描电镜结合能谱仪研究了烧结产物的显微结构特征。 同时还测试了所合成的t i a i t i 2 a i c 试样的部分力学性能、密度和维 氏显微硬度。 研究结果表明，t i a i t i c 系统的反应大致可分为两个阶段：热 压温度在9 0 0 之前，t i 和a l 的反应生成t i a l 金属间化合物；烧 结温度达到9 0 0 以后，t i a i 金属间化合物和t i c 反应合成 t i a i t i 2 a i c 复合材料。通过保温阶段，三元t i 2 a i c 长成层状多晶结 构，同时，复合材料致密化。t i a 1 c 系统的反应大致可分为三个阶 1 武汉理工大学硕士学位论文 段：烧结温度在9 0 0 之嚣，t i 和a l 静反应生成t i a l 金羼问化台 物；烧结温度达到9 0 0 之厝，t i 、a l 闻的放热反应引发c 和未 反应完全的瓢反应生成强c ；t l a i 金属闻恍会物藏瓢c 反或并合戏 致密t i a i t i 2 a 1 c 复裔材料。通过保温阶段，t i 2 a i c 长成层状多品结 聿句，网对复麟料致密化。磺究了下i a t t i c 署秘t i a 1 c 两个系统的 反应机理。 应用扫描电镜结台能谱仪，研究了三个系列豹原料配比农1 1 0 0 l3 0 0 温度下热压烧结所得产物的显徽结构特征。结合x r d 图谱，1 2 0 0 温度下的烧结产物晶体发育最好，且结构最致密，研 究了该溢度下掺船7 v 0 1 和1 5 v 0 1 t i c 所合成的复会材料的弯蓝强 度、断裂韧性和v i c k e r s 硬度。力学性能测试结果说明，少量t i 2 a i c 豹引入，使得材料串增加了颗粒增韧的毙量吸收楹毒l ，这也可以提 高材料的力学性能：然而过多的t i 2 a l c 含量对材料的力学性能不利。 关键词：t i a i 基，t i 2 a i c ，复合材料，热压 i l 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i 。l a l - m a t r i xi n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sh a v eb e c o m eo n eo ft h e h o t t e s th i g h - t e m p e r a t u r es t r u c t u r a lm a t e r i a l s r e c e n t l y ，d u e t oi t s e x c e l l e n th i g h - t e m p e r a t u r ep r o p e r t i e sa n dl o w e rd e n s i t y h o w e v e r , t h e r o o m * t e m p e r a t u r eb r i t t l e n e s si st h e m a i no b s t a c l e o fi t sa p p l i c a t i o n f a b r i c a t i o no ft i t a n i u ma l u m i n i d ec o m p o s i t e sw i t hc e r a m i cp a r t i c l e si s onew a yt oi m p r o v et h e i rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a n dt h e i rm e r i t so fl o w d e n d i t ye t cc a ns t i l lb ck e p t 。 l a y e r e dt e r n a r yt i 2 a 1 cc e r a m i c ，a st h et y p i c a lr e p r e s e n t a t i o no f h - p h a s e ，c o m b i n e su n u s u a lp r o p e r t i e so fb o t hm e t a l sa n dc e r a m i c s l i k e m e t a l s ，i ti sag o o dt h e r m a la n de l e c t r i c a lc o n d u c t o lr e l a t i v e l ys o f ta n d c a l lb ee a s i l ym a c h i n e dw i t ht r a d i t i o n a ld r i l lw i t h o u tl u b r i c a t i o no r c o o l i n gw a t e r 。l i k ec e r a m i c s ，i ti se l a s t i c a l l ys t i i f ；e x h i b i t se x c e l l e n t h i g ht e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 。i ti sr e s i s t a n tt ot h e r m a ls h o c k a n d u n u s u a l l yd a m a g et o l e r a n t ，a n de x h i b i t s e x c e l l e n tc o r r o s i o n r e s i s t a n c e t h e r e f o r e ，i n t r o d u c t i o no fs m a l la m o u n to ft i 2 a 1 cp a r t i c l e s i n t ot h et i a lm a t r i xt of o r mt i a l t i z a i cc o m p o s i t e sm a yh e l pt og e t t h em e r i t so fb o t hm e t a l sa n dc e r a m i c s i nt h ep r e s e n tr e s e a r c h ，t h r e es e r i e so fr a wm a t e r i a l sh a v eb e e n a d o p t e d ：( a ) t h ee l e m e n t a lt i ，a it oi n v e s t i g a t et h er e a c t i o no ft i - a 1 s y s t e m ；( b ) t i ，a ia n dt i cp o w d e r st oi n v e s t i g a t et h er e a c t i o n o f t i a 1 m t i cs y s t e m ( c ) t h ee l e m e n t a lt i ，a ia n da c t i v ecp o w d e r st o i n v e s t i g a t et h er e a c t i o no ft i a 1 - cs y s t e m ，a n dw a sc o m p a r e dw i t h t i a 1 - t i cs y s t e m 。d i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i s ( d t a ) o fs t a r t i n g p o w e r sa n dx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) o fs a m p l e ss i n t e r e da t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sf r o m6 0 0 t o13 0 0 b yh o tp r e s s i n gw e r eu t i l i z e dt o a n a l y s et h ep h a s ec o m p o s i t i o n p h a s ee v o l u t i o na n dt h em e c h a n i c so f s y n t h e s i sw e nt h ef o c a lp o i n t s 。s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) 1 1 j 武汉理工大学硕士学位论文 c o u p l e dw i t he n e r g y d i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( e d s ) w e r eu t i l i z e dt o i n v e s t i g a t et h em o r p h o l o g yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o d u c t s t h ep o r t i o n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，d e n s t i t ya n dv i c k e r sm i e r o h a r d n e s so fp r o d u c t s w e r et e s t e di nt h ep r e s e n tp a p e r r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er e a c t i o no ft i a 1 t i cs y s t e mc o u l db e d i v i d e di n t ot w os t a g e s b e f o r e9 0 0 ，t ir e a c t sw i t ha 1t of o r mt i a i i n t e r m e t a l l i c s ；a b o v e9 0 0 ，t i a lr e a c t sw i t ht i ct op r o d u c ed e n s e t i a i t i 2 a i cc o m p o s i t e s 。t h er e a c t i o np r o c e d u r eo ft i a 1 c s y s t e m c o u l db ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e s b e f o r e9 0 0 ，t ir e a c t sw i t ha it o f o r mt i a li n t e r m e t a l l i e s ；a b o v e9 0 0 ，cr e a c t sw i t hr e m a i nt it o f o r mt i ct r i g g e r e db yt h ee x o t h e r m a lr e a c t i o no ft ia n da i ；t i a lr e a c t s w i t ht i ct o p r o d u c ed e n s et i a l t i 2 a i cc o m p o s i t e s i nt h eh o l d i n g s t a g eo ft i a l t i cs y s t e ma n dt i a i - cs y s t e m t e r n a r yt i 2 a i cd e v e l o p s t ol a y e r e dp o l y c r y s t a la n dc o m p o s i t e sp y k n o s i sa tt h em e a n w h i l e t h e m e c h a n i c so fs y n t h e s i sw e r ei n v e s t i g a t e d t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ep r o d u c t ss i n t e r e da tl lo o l30 0 w e r ed i s c u s s e db ys e mc o u p l e dw i t he d s c o m b i n e dw i t hx r d p a t t e r n s ，t h ep r o d u c t ss i n t e r e da t12 0 0 h a v et h ef i n e s tc r y s t a l sa n d t h ed e n s e s tf a b r i c a tt h i st e m p e r a t u r e ，t h eb e n d i n gs t r e n g t h ，f r a c t u r e t o u g h n e s sa n dv i c k e r sh a r d n e s so ft h ec o m p o s i t e sp r o d u c e db yr a w ： m a t e r i a l sm i x e dw i t h7 v 0 1 a n dl5 v 0 1 t i cw e r et e s t e d r e s u l t so f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n d i c a t e dt h a tt h ei n t r o d u c t i o no fs m a l lq u a n t i t i e s o ft i 2 a i cc a ni m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t y ，d u et ot h ea b s o r p t i o no f e n e r g yo fp a r t i c l e sf l e x i b i l i t y h o w e v e r ，f u r t h e ri n c r e a s i n go ft i 2 a 1 ci s d i s a d v a n t a g et ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t y k e yw o r d s ：t i a i m a t r i x ，t i 2 a 1 c ，c o m p o s i t e s ，h o tp r e s s i n g i v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 金属基复合材料( m m c s ) 既具有金属的塑性和韧性，又有陶 瓷的高强度和高弹性模量，是一种非常重要的工程结构材料。随着 各种制备途径的不断改进，使其结构和性质变得具有可设计性。廉 价增强相的使用，使其制备成本大大降低。因而，引起了航空、机 车以及其他等工业的浓厚兴趣。在航空应用方面，为了增加材料的 弹性模量并减少重量，可通过选择低密度的基体来实现。 t i a i 基金属间化合物因具有优良的高温性能和较低的密度，从 而成为目前世界上研究的最为热门的高温结构材料之一【l 圳。经过多 年的努力，其性能不断提高，其中部分性能已经接近或达到了实用 化的要求。然而，因强键结合及基于有序结构的变形行为的低对称 所引起的室温脆性仍然是其实用化的主要障碍【5 ，6 j 。目前解决的方法 主要通过合金化、形变热处理或特殊热处理等方法细化显微组织， 提高合金室温延性。但从目前研究较多的金属间化合物的性能特别 是力学性能来看，单纯的金属间化合物无法满足一些特殊的航空部 件对高温强度、蠕变抗力和持久性能的综合要求，而制备成金属间 化合物基复合材料可获得良好的力学性能，并同时保持基体密度低 等特点。 三元层状陶瓷t i 2 a i c ( t i t a n i u ma l u m i n u mc a r b i d e ) 兼具陶瓷 和金属的优点。在常温下，有很好的导热性能和导电性能，有较低 的维氏显微硬度和较高的弹性模量和剪切模量，像金属一样可进行 机械加工，并在较高温下具有塑性，同时它又具有陶瓷的性能，有 较高的屈服强度，高熔点，高热稳定性和良好的抗氧化性能即它象 陶瓷一样具有高硬度、高熔点、高化学稳定性、高耐磨性等优点， 另外，它还具有可与固体润滑剂( m o s 2 石墨) 相比拟的自润滑性。 i 武汉理工大学硬士学位论文 霸j 鲍，在t i a i 基中引入一小部分的t i z a i c ，从而制各t i a i t i 2 a i c 复合材料，就可能兼具豫者的优性。 1 2t i a l 金属问化合物的组织结构 1 嘲 蝴 叁 毫堇。娜 d o ，9l i o 圈1 1t i 。a i 褶圈 f i g 1 - it i - a 1p h a s ed i a g r a m 金属闯化舍物主要是指金属元素间、金属元素与类盒属元素间 形成豹化合物，其特点怒各元素阔既有化学计量豹组分，而其戏分 又可在一定范围内变化从而以化合物为基体的固溶体。洒两种金属 以整数比( 或在接近整数比的范强内) 形戏优会物时，由于其结梅 与构成它的两金属的结构不同，从而形成有序的超点阵结构。金属 间化合物不仅煮金属键，还具宥麸价键，共价键的出现，使褥骧予 蝴 辨 粕 | 呈 啪 雠 1 ， ， ， ， 1 o。、尝5_芒母ne岱卜 武汉理工大学硕士学位论文 间的结合力增强，化学键趋于稳定，具有高熔点、高硬度的特征； 此外由于结构中原子间的结合力强，扩散减慢，导致蠕变激活能提 高，所以金属间化合物具有高的抗蠕变性能。 t i a l 系金属问化合物主要有两种：t i a i 化合物( 用y 表示) 和 t i 3 a l 化合物( 用a 2 表示) 。c h u b b 和m e h l 等运用第一原理计算了 具有化学配比的t i a l 化合物和t i 3 a 1 化合物在o k 时的能量稳定性， 从而证实了t i a i 化合物为l l o 型晶体结构，t i a a i 化合物为d o l 9 型 晶体结构l7 1 ，如图1 1 。 由于单相( 丫) 化合物的塑性和断裂韧性比两相( y + a 2 ) 化合物 低得多，因此人们目前的研究主要集中于两相化合物，即以t i a i ( v ) 为基体，并含有少量t i 3 a 1 ( a 2 )的孪生晶形态层片状组织的合金。 1 3 t i 2 a i c 的结构 最近，兼具金属和陶瓷优异性能的一类层状结构的三元碳化物 和氮化物，受到了材料科学工作者的广泛重视。n o w o t n y 弘1 1 1 等科 学家在6 0 - - 7 0 年代合成了总数超过l o o 多种的这类化合物，它们具 有相同的晶体结构，属于六方晶系，空间群为p 6 3 m m c 。这些化合 物可以用统一的分子式m n + l a x n 表示，其中m 为过渡金属，a 主要 为i i i 和族元素，x 为c 或n 。当n = 3 时代表性的化合物为t i 4 a l n 3 等，简称为4 1 3 相：当n = 2 时，代表性的化合物为t i 3 s i c 2 、t i 3 a 1 c 2 、 t i 3 g e c 2 ，简称为31 2 相：当n = l 时，代表性的化合物有t i 2 a 1 c 、 t i 2 g e c 、t i 2 a 1 n 等，又称h 相，简称为2 ll 相，已知属于h 相的化 合物多达3 5 个以上【8 1 。这l0 0 多种化合物代表一类新型的层状化合 物。 武汉理，j ：大学硕士学位论文 产呛 r 】 10 瓢 r i 、 - _ 17 1 n ， i 1- 6 = 拶 i i 1 跏 x 二；- 7 一与入 剿 一一 l 1 r _ t 、一刁：(b 一 、 _ 一 7 i 、 ， 1 蠡 天 丁 冬 一n 0 i ， ， r ij k _ a l a y e r s 图1 2t i 2 a i c 的结构简图 f i g 1 2s t r u c t u r eo ft i 2 a 1 c 作为h 相的典型代表，新型陶瓷材料t i 2 a i c 更以其密度低，优 异的兼具陶瓷和金属的特点成为近年来国内外众多材料学者研究的 热点 1 2 - 2 2 】。t i 2 a 1 c 属六方晶系，空间群为d 4 6 h - p 6 3 m m c ，晶格参数 为a = 0 3 0 7n m ，c = 1 7 6 9n m 。图1 2 为t i 2 a i c 的晶体结构简图，从 该图可以看出：紧密堆积的t i 八砸体层被一平面层a l 原子所分隔， t i 八面体中心为碳原子，且每三层就有一层a l 原子层，过渡金属原 子t i 与c 原子之间形成八面体，t i 原子和c 原子之间的结合为强 共价键，赋予材料高熔点、高弹性模量：而t i 原子和a l 族平面之 武汉理工大学硕士学位论文 间为弱结合，类似于石墨层问的范得华力弱键结合，使得材料具有 层状结构和自润滑性。周延春【1 3 l 等人用从头计算法计算结果表 明：a l 原子与t i c t i c t i 链的键力是较弱的，结构中同时包 含有金属键、共价键和离子键。也正是由于在结构上的这些特点， 使得t i 2 a i c 兼具金属和陶瓷的优点。 1 4 金属基复合材料的制备 m m c s 是从金属材料发展而来的。金属材料有相当好的韧性和 可加工性，是应用相当广泛的结构材料。但是，由于金属在高温下 易软化，造成高温强度低及抗蠕变能力差，使其高温应用受到限制。 使用陶瓷增强的m m c s 可在一定程度解决这些问题。m m c s 既保持 了金属的塑性、韧性和可加工性，也具有陶瓷的高硬度、高弹性模 量，并有较金属明显高的使用温度【23 1 。因此，这类材料的开发与利 用有着非常重要的意义。 1 4 1 金属基复合材料种类 m m c s 的种类按基体分主要有a l 基、m g 基、c u 基、t i 基、 n i 基和金属间化合物基等。其中a l 基是最常用的，也是研究得最 多的。主要是由于其有高的比强度和比模量及较低制备温度【2 4 艺引。： a 1 基复合材料有a 1 s i c 、a i a 1 2 0 3 、a i t i c 、a i t i b 2 【2 6 29 1 。虽然这 类材料有很多优点，但由于a l 的熔点较低，一般使用温度不高。为 此相继开发出了t i 基、n i 基等复合材料。如t i t i c 、t i t i b 2 、n i t i c 等。由于金属间化合物塑性问题的研究取得重大突破0 。3 4 】，材料界 已开始金属间化合物基复合材料的研究，并取得进展。研究的这类 材料主要有t i a l t i b 2 和n i a l t i b 2 等，其中有的材料性能已有较大 突破。 m m c s 的种类按增强相几何形状可分为连续增强( 长晶须或纤 维) 或非连续增强( 颗粒、短晶须或纤维) 材料。m m c s 的早期研 武汉理工大学硕士学位论文 究主要在连续增强方面1 3 5 0 6 1 ，但由于纤维豹制备成本很高，使其广 泛应用受到限制，仅限于某些特殊应用如军豢方面。目前的研究 重点在非连续增强，特剐是颗粒增强方蕊。主要的源因除成本比较 低外，还有 弘3 8 1 ：( 1 ) 制备过程与金属的加工方法相近似；( 2 ) 大 量豹券嚣反应霹以避免。 1 4 2 金属基复合材料的制备方法 m m c s 的制备方法按温度可分为三类：( 1 ) 液相法：( 2 ) 固相 法；( 3 ) 霹液两相法。 ( 一) 液相法i ”m j ：增强陶瓷颗粒用各种方法混入到熔融的金 属液中。混入的方法有：( 1 ) 藤注入枪将含有陶瓷粉末的惰性气体 引入劐熔体中：( 2 ) 在铸模时加到熔体中；( 3 ) 由机械搅拌加到熔 体中；( 4 ) 由离心加速方法加到熔体中等等。液相法在制蛋m m c s 时获得了令人满意韵结果，但问题是存在的，烹要是：搅拌过程中 陶瓷颗粒的团聚：陶瓷颗粒的沉淀：金属基体中第二相的偏析；严 重的界西反应及橇械搅拌过程中粒子的断裂等。 此外该方法还包括熔融渗透法和熔融氧化法。 ( = ) 固穗法f 4 3 1 4 4 】：在基体的熔点以下将增强相与基体斡混合 物致密化。该方法主要肖粉末冶金法。 ( 三) 两相法h 。46 】：在固，液两相共存下( 指机体) ，制各嶷密 实材料。该方法有雾化沉积( o s p r e yd e p o s i t i o n ) 。 这蝗方法在制备m m c s 时共有的特征，即陶瓷增强颗粒多为外 加，这样，颓敉表面污染及氧仡问题无法避免。原位合成概念的提 出解决了这些问题。原位复合来源于原位结晶( i n s i t uc r y s t a l l i z a t i o n ) 鞫原位聚合( i n s i t up o l y m e r i z a t i o n ) 豹橛念。木季糕中的第二裰或复合 材料中的增韧相生成于材料的形成过程中，即不是在材料制备之间 就有，两是在材料制备过程中淼位裁蟪产生。强位生成的霹以是金 属、陶瓷或高分子等物相，它们能以颗粒、晶须、晶板或微纤等显 微组织形式存在予基体孛。原位复合的原理是l ：根据誊季料设计的 武汉理一i ：大学硕士学位论文 要求选择适合的反应剂( 气相、液相或固相) ，在适合的温度下借助 于基材之间的物理化学反应，原位生成分布均匀的第二相( 或程增 强相) 。 由于这些原位生成的第二相与基体间的界面无杂质污染，两者 之间有理想的原位匹配，能显著改善材料中两相界面的结合状况， 使材料具有优良的热力学稳定性：其次，原位复合省去了第二相的 预合成，简化了工艺，降低了原材料成本；另外，原位复合还能够 实现材料的特殊显微结构设计并获得特殊性能，同时避免因传统工 艺制备材料时可能遇到的第二相分散不均匀，界面结合不牢固以及 因物理、化学反应使组成物相失去预设计能力不足的问题。 1 5 t i a l t i 2 a 1 c 复合材料的合成制备研究现状 9 0 年代初，m a b u c h i 、r a m a s e s h a n 等【4 8 , 4 9 1 用t i 、a l 、c 元素粉 通过s h s 法合成了t i a i t i 2 a 1 c 复合材料。s h s 法即自蔓延高温合 成法，早期亦称固态燃烧合成法。该技术是利用化学反应放出的热 量使反应自发进行，以达到制备材料目的的一种技术。该技术反应 时间短，一般在几秒甚至零点几秒之内完成，反应温度高，产物晶 粒细小，活性大。然而，其合成产物多为疏松的开裂状，存在大量 的孔洞。要制备密实材料s h s 技术还必须与其它的致密化工艺相配 ： 厶 口o m a b u c h i 、r a m a s e s h a n 等【4 8 , 4 9 】用t i 、a l 、c 元素粉，采用了s h s 法同电弧熔炼铸造技术相结合的方法，制备出了密实的t i a l t i 2 a 1 c 复合材料。该方法把s h s 技术与传统的熔铸技术结合起来，先通过 s h s 过程使陶瓷相在金属熔体中生成，即“原位 生成，再利用电 弧熔炼铸造技术使材料致密化。该方法既包含了s h s 的优点，也包 含了熔铸的优点( 如造渣作用使原料中的一些氧化物杂质得以排除 等) 。 m e i 等【5 l 用t i 、a 1 、t i c 粉通过s p s 方法合成了致密的 t i a i t i 2 a i c 复合材料。s p s 法即放电等离子烧结法，该方法通过瞬 7 武汉理【火学硕士学位论文 时产生的放电等离子使被烧结体内部每个颗粒均匀地自身发热和使 颗粒表面活化，因而具有非常高的热效率和可在相当短的时间内使 烧结体达到致密。 1 6 t i a l t i 2 a 1 c 复合材料的性能 1 6 1 t i a i t i 2 a i c 复合材料的力学性能 m e i 等 5 1 研究了t i a i t i 2 a 1 c 复合材料的断裂韧性( k i c ) 和弯曲 强度。在1 4 2 3 k 温度下，原始配比为t i 4 8 a t a i 的k i c 为3 0 m p a m 2 ；添加7 v 0 1 t i c 后，k l c 增加到4 3 m p a m 2 ，断裂韧性提 高了l5 ；添加l5 v o l 。t i c 后，k l c 明显降低到2 0 m p a m 2 ：添 加3 0 v 0 1 t i c 后，复合材料变得非常脆。可见引入少量t i 2 a i c 可 以提高材料的断裂韧性，而更多的t i 2 a 1 c 则要降低材料的断裂韧性。 究其原因，该文中指出，少量而均匀的t i 2 a i c 成为弥散的增强相， 而过多t i 2 a 1 c 则易形成脆性的网状结构。对于复合材料的弯曲强度 研究，该文提到原始配比为t i 4 8 a t a l 的弯曲强度为8 5 0 m p a ，添 加7 v 0 1 t i c 后，弯曲强度增加到9 0 0 m p a ，当更多的t i c 加入后， 弯曲强度则不断降低。可见在t i a i 基材料中引入一定量的t i 2 a i c 陶瓷，也能够有效的提高材料弯曲强度。m a b u c h i 、r a m a s e s h a n 等h & 4 9 j 的研究结果表明：t i a i t i 2 a i c 复合材料的抗压强度约是t i a i 基材料： 的两倍，同时，复合材料延性为o 7 ，也比t i a l 基材料高。 1 6 2t i a l t i 2 a 1 c 的抗氧化性能 材料在高温的应用要求其要有高的抗氧化性能。r a m a s e s h a n 等4 9 】 研究了t i a l t i 2 a 1 c 复合材料的抗氧化性能。他们用t i 、a 1 、c 元素 粉研究了三种起始原料组成t i 5 0 a 1 5 0 、t i 5 0 a 1 4 5 c 5 、t i ( n i ) s o a l 4 5 c 5 ( 掺 杂了n i 、c 1 、p ) 所得材料的氧化性能。三种试样在1 1 7 3 k 的温度 氧化1 0 0 h ，分别测定氧化增重。实验证明，在这三种试样中，原始 武汉理工大学硕士学位论文 配料为t i ( n i ) 5 0 a 1 4 s c s 掺杂的复合材料的抗氧化性能最好，1 0 0h 的 氧化增重约为6g m 2 ；合金t i 5 0 a 1 5 0 的抗氧化性能最差，3 5h 就达到 5 0 g m 2 ；原始配料为t i 5 0 a 1 4 5 c 5 不掺杂的复合材料的1 0 0h 氧化增重 为3 5g m 2 。t i a i t i 2 a i c 复合材料的抗氧化性比t i a i 基材料好，而 掺杂又能显著提高复合材料的抗氧化性能。 r a m a s e s h a n 等【4 9 j 也分析了掺杂提高抗氧化性能的原因。因为c l 和p 有利于在复合材料表面形成a 1 2 0 3 膜：c 1 元素的存在能够形成 a i c l 3 ，有助于把a l 带到复合材料的表面；添加p 元素能有效的减 少t i 0 2 中的氧空位，能够抑制氧通过空位向里扩散。c l 和p 的共同 作用能在复合材料表面形成更多的a 1 2 0 3 膜，从而提高其在空气中 l l7 3 k 温度下的抗氧化性。对于为什么t i a l t i 2 a i c 复合材料的抗氧 化性比t i a l 基材料好，r a m a s e s h a n 等没有进行解释，其它文献也没 有具体的报道。作者认为可能与颗粒增强相t i 2 a 1 c 的存在，阻止了 合金相的重结晶和晶粒长大有关。唐兆麟等【5o 】谈到在t i a l 材料中微 晶化有利于提高氧化膜的粘附性的问题。对于t i a l t i 2 a 1 c 复合材料 的抗氧化性问题有待进步研究。 1 7 t i a l t i 2 a 1 c 复合材料的应用前景 t i a l t i 2 a 1 c 复合材料的研究方兴未艾。该复合材料保持了t i a i ： 基金属间化合物低密度和优良高温性能的优点，同时，又解决了t i a i 合金室温脆性问题，在高温抗氧化性方面也有所提高，是迫切需要 减重的航空和车用发动机部件理想的候选材料。相信不久的将来， t i a l t i 2 a i c 复合材料能够在航空、汽车等方面发挥其重要的作用。 1 8 本研究内容及意义 研究t i a l t i 2 a 1 c 复合材料的相形成规律和微观结构形成机理， 通过改变原料的配比，作对比研究各工艺参数对晶型、物相、组成、 结构、力学性能的影响。 9 - 武汉理工大学硕士学位论文 配料为t i ( n i ) 5 0 a 1 4 s c s 掺杂的复合材料的抗氧化性能最好，1 0 0h 的 氧化增重约为6g m 2 ；合金t i 5 0 a 1 5 0 的抗氧化性能最差，3 5h 就达到 5 0 g m 2 ；原始配料为t i 5 0 a 1 4 5 c 5 不掺杂的复合材料的1 0 0h 氧化增重 为3 5g m 2 。t i a i t i 2 a i c 复合材料的抗氧化性比t i a i 基材料好，而 掺杂又能显著提高复合材料的抗氧化性能。 r a m a s e s h a n 等【4 9 j 也分析了掺杂提高抗氧化性能的原因。因为c l 和p 有利于在复合材料表面形成a 1 2 0 3 膜：c 1 元素的存在能够形成 a i c l 3 ，有助于把a l 带到复合材料的表面；添加p 元素能有效的减 少t i 0 2 中的氧空位，能够抑制氧通过空位向里扩散。c l 和p 的共同 作用能在复合材料表面形成更多的a 1 2 0 3 膜，从而提高其在空气中 l l7 3 k 温度下的抗氧化性。对于为什么t i a l t i 2 a i c 复合材料的抗氧 化性比t i a l 基材料好，r a m a s e s h a n 等没有进行解释，其它文献也没 有具体的报道。作者认为可能与颗粒增强相t i 2 a 1 c 的存在，阻止了 合金相的重结晶和晶粒长大有关。唐兆麟等【5o 】谈到在t i a l 材料中微 晶化有利于提高氧化膜的粘附性的问题。对于t i a l t i 2 a 1 c 复合材料 的抗氧化性问题有待进步研究。 1 7 t i a l t i 2 a 1 c 复合材料的应用前景 t i a l t i 2 a 1 c 复合材料的研究方兴未艾。该复合材料保持了t i a i ： 基金属间化合物低密度和优良高温性能的优点，同时，又解决了t i a i 合金室温脆性问题，在高温抗氧化性方面也有所提高，是迫切需要 减重的航空和车用发动机部件理想的候选材料。相信不久的将来， t i a l t i 2 a i c 复合材料能够在航空、汽车等方面发挥其重要的作用。 1 8 本研究内容及意义 研究t i a l t i 2 a 1 c 复合材料的相形成规律和微观结构形成机理， 通过改变原料的配比，作对比研究各工艺参数对晶型、物相、组成、 结构、力学性能的影响。 9 - 武汉理工火学硕士学位论文 用陶瓷颗粒增强钛铝基金属材料能有效的解决其室温脆性， 提高其性能。有望形成理想的相界面从而解决陶瓷金属复合材料 的脆性问题丰富与发展陶瓷及陶瓷金属复合材料的基础理论与实 践研究具有很大的科学技术意义和经济实用性。 1 0 - 武汉理工大学硕士学位论文 第二章实验过程 2 1 原料及配比的设计 2 1 1 原料 原料的颗粒粒径分布由v i c d m 图象分析仪分析得出，见图2 1 。 试验研究中所用原料的特征列见表2 1 。 ( a ) t i c 粉粒径分布图( b ) t i 粉粒径分布图 ( c ) a l 粉粒径分布图( d ) 活性碳粉粒径分布图 图2 1 所用原料粉末的粒径分布图 f i g 2 一l p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no fr a wm a t e r i a l s 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 原材料特征 t a b l e2 1t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a wm a t e r i a l s 平均粒径 原料纯度( )分子量生产厂家 lu m ) 钛粉 9 9 01 0 6 3 84 7 8 8北京有色 铝粉 9 9 8l2 8 2 52 6 9 8 金属研究院 碳化钛粉 9 9 44 4 7 45 8 8 9山东 活性碳 9 9 0 1 3 2 1 61 2 0 1 上海 乙醇分析纯4 6 。0 7 2 1 2 原料配比设计 根据有关热力学稳定性相图的知识，反应物是否可以进行，主 要是在于所选取的反应物组分是否在稳定相图中处于稳定的三元相 区内，若处在同一个稳定三角形中，反应就不可能进行，因为在处 于稳定平衡的三相内各个组元相是处于平衡状态的，而处于平衡状 态的三元相中的各个组元的化学势相等，也就是说组元化学势没有 发生变化，化学势梯度为零，故反应不能进行。 ： 从t i a 1 c 三元系1 0 0 0 条件下的稳定相图简化图图2 2 1 5 1 1 可 以看出：t i 、a l 和t i c 以及t i 、a 1 、c 这两种三相组分都是处在不 同的平衡稳定相区内的，说明这两种三相物质分别可以作为反应物 同时存在，在一定的温度下能够发生反应。本研究正是采用这两种 配料来制备研究t i a i t i 2 a i c 复合材料。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 21 0 0 0 下t i a i c 三元系统相图简化图 f i g 2 - 2s i m p l ep h a s ed i a g r a mo ft i a 1 一cs y s t e ma t 1 0 0 0 经文献知【6 】，t i a i 金属间化合物在配比为t i 4 8 a t 时力学性能 最好。本研究采用的原料配比如下： ( 1 ) x ( t i ) ：x ( a 1 ) = 5 2 ：4 8 ，记为a 0 ，拟研究t i a l 间的反应； ( 2 ) x ( t i ) ：x ( a 1 ) = 5 2 ：4 8 和妒( t i c ) = 7 ，l 5 ，分别记为a 7 和 a 15 ，拟研究t i a 1 t i c 间的反应；( 根据m e i 5 】采用放电等 离子烧结方法制备t i a l t i 2 a 1 c 复合材料的配比，t i c 的掺 入量定为7 v 0 1 h 和15 v o i 由于配比相同，可以对两种 烧结方法合成材料的微观结构进行比较。) ( 3 ) 将石( t i ) ：x ( a 1 ) = 5 2 ：4 8 和9 ( t i c ) = 7 配比中t i c 换算成t i 和c ，即x ( t i ) ：工( a 1 ) ：x ( c ) = 5 1 8 ：4 2 5 ：5 7 5 ，记为b 7 ，拟研 究t i a 1 c 间的反应机理及与t i a i t i c 系统的关系。( 采 用元素单质粉t i 和活性c ，可以增加反应原料的活性) 本研究中探索应用热压烧结工艺，在较低温度下制备致密 t i a l t i 2 a i c 复合材料，并重点探讨了该反应过程的相形成规律和反 应机理。本研究的创新点在于，( 1 ) 在原料方面尚未见以活性碳制 备t i a i t i 2 a 1 c 复合材料，( 2 ) 而在工艺方面尚未见以原位热压工 武汉理正大学硬士学位论文 艺制备致密t i a i t i 2 a i c 复合材辩。( 3 ) 所见报导主要集中在合成 及结构性能方颟，还束见对其相形成过程和反应枫理方面的研究。 2 2 工艺路线 本实验原料制备、装模加压后，成型和烧结同时进行的工艺路 线。其体会成工艺流程图见黧2 3 所承。 圈2 - 3 工艺流程图 f i g 2 - 3t e