叠层结构tial基复合材料的制备及力学性能研究

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1、分类号：ＴＧ１４６：．２单位代码１０７２０＿密级：公开学号：１５０８０５０３０２ＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ硕士学位论文叠层结构ＴｉＡｌ基复合材料的制备及力学性能研究ＰｒｅａｒａｔｉｏｎａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｅｒｔｉｅｓｏｆｐｐＬａｍ－ｉｎａｔｅｄＴｉＡｌｂａｓｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ论文作者：费岩晗指导教师、职称：艾桃桃教授学科、专业名称：材料加工工程研究方向：金属材料强韧化研究二？一八年六月分类号：TG146.2单位代码：

2、10720密级：公开学号：1508050302硕士学位论文叠层结构TiAl基复合材料的制备及力学性能研究PreparationandMechanicalPropertiesofLaminatedTiAl-basedComposites论文作者：费岩晗指导教师、职称：艾桃桃教授学科、专业名称：材料加工工程研究方向：金属材料强韧化研究二○一八年六月摘要TiAl合金的密度仅为镍基高温合金的50%左右，工作温度高达600~900℃，在具有良好高温强度和抗蠕变性能的同时兼具高比强度、耐磨损、耐磁化、耐氧化、耐酸碱腐蚀等特性，有望在不久的将来取代

3、现阶段广泛使用的Ni基高温合金，是未来先进工程材料的重要发展方向。然而TiAl合金作为典型二元金属间化合物，其本征脆性导致室温下塑性和韧性较差，难以通过常规手段成型，且工作温度超过1100℃时力学性能会出现下降，上述缺点严重阻碍了TiAl合金进一步的扩大应用。如何改善TiAl合金的力学性能一直是TiAl系金属间化合物的重要研究方向之一。TiAl合金的强化手段与作用机理非常复杂，特别是利用原位内生陶瓷的颗粒强化，增强相颗粒的种类、分布、数量、形状等因素均会对基体的强度、韧性等力学性能产生明显影响。三元层状化合物Mn+1AXn，简称MAX

4、相，其中M代表过渡元素，A为Ⅲ或Ⅳ族元素，X为C或N元素，n=1、2或3，是近年来引起广泛关注的一类新型金属陶瓷。由于具有特殊的片层状结构和金属键与共价键共存的晶格结构，MAX相兼具金属与陶瓷的优点，在高温材料、储能材料、新型功能材料等领域具有广泛的应用前景。其中Tin+1AlCn（n=1或2）由于良好的高温性能和自润滑性、热膨胀系数与TiAl系合金相近等特点，被认为是一类理想的TiAl基合金增强相。本文通过在复合层中引入原位内生MAX相陶瓷颗粒，并采用叠层结构设计来提高TiAl基复合板材的综合力学性能。实验将Ti-Al-TiC混合粉

5、体作为复合层，与作为强韧层的TC4钛合金（Ti-6Al-4V）板材逐层叠加装模，利用放电等离子烧结（SPS）制备出具有叠层结构的TC4/Tin+1AlCn-TiAl复合板材。利用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）等手段对复合材料微观组织、相组成等进行分析，研究不同MAX相含量和不同强韧层结构对TC4/Tin+1AlCn-TiAl叠层结构复合材料结构和性能的影响，并探究其强韧化机制与断裂机理。经分析发现复合层主要由α2-Ti3Al/γ-TiAl片层组织构成，致密度良好，SEM观察下仅有极少柯肯达尔孔洞生成，层

6、与层之间界面结合良好，复合层与强韧层结合处有TiAl-Ti3Al过渡界面层生成。对实验制备的TC4/TiAl基叠层结构复合板材进行力学测试，发现抗弯强度最大值达到1428.79±71.4MPa；而断裂韧性最大值为67.72±3.4MPa·m1/2。力学测试结果表明，叠层结构复合材料的抗弯强度和断裂韧性存在各向异性，材料在平行和垂直叠层结构的受力方向上力学性能有显著差异。通过掺杂TiC制备原位I内生MAX增强相可以有效提高材料的力学性能。叠层结构的存在增加了裂纹扩展的阻力，缩短了裂纹加速运动的路径，极大地提高了材料的力学性能，其具有的能

7、量耗散机制削弱了材料对缺陷的敏感性。关键词：TiAl基复合材料；叠层结构；Ti2AlC；力学性能；放电等离子烧结IIAbstractThedensityofTiAlalloyisjustabout50%ofthenickel-basedsuperalloy,whichworkingtemperaturecanreachto600~900℃.TiAlalloyhascharacteristicssuchasgoodstrengthathightemperatureandexcellentcreepresistance,atthesame

8、timewithhighspecificstrength,wearresistance,magnetizationresistance,oxidationresistance,corrosionresistance,an