原位自生钛基复合材料氧化行为研究

《原位自生钛基复合材料氧化行为研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、摘要原位自生钛基复合材料具有高强度、低密度、高弹性模量以及良好的抗蠕变和抗氢脆能力等优良性能，成为最具潜力的新一代航空航天用轻质高温结构材料之一。随着这种材料实用化的进展，人们对其使用温度越来越高，高温环境下性能要求也越来越高，而且，原位自生钛基复合材料能否在823K以上高温长时间使用，除其高温性能之外，高温抗氧化性能的特性是一个十分重要的问题。因此，研究原位自生钛基复合材料高温氧化行为和氧化机理显得日益重要，认识和改善其在高温工作环境中的氧化行为是使之实用化的问题之一，也具有重要的学术意义。本研究针对这一问题，首先利用

2、Ti与B粉，C粉或B4C之阳J的自蔓延高温合成反应与普通钛合金熔炼工艺结合制备出钛基复合材料，然后对该材料进行高温氧化试验分析。从氧化动力学着手，通过x射线衍射仪、x光电子能谱仪、扫描电镜、透射电镜等方法系统地研究了原位自生钛基复合材料氧化后氧化产物组成、形貌；着重分析了原位自生钛基复合材料高温氧化后增强体的微观结构、增强体与钛基体界面的结合变化情况；增强体对钛基复合材料抗氧化性能的影响；用动力学的密度泛函理论计算了氧气在增强体及基体金属不同晶面的化学吸附能；研究钛基复合材料氧化损毁机理。为今后在高温下使用钛基复合材料，

3、改善抗氧化的途经提供理论依据。研究结-畏表明：通过氧化反应的热力学分析，在823，873和923K空气中恒温氧化时，钛基复合材料各个元素均发生氧化反应，生成的A1203和Zr02氧化物在热力学上最稳定，M003最不稳定。TiB和TiC增强体在热力学上要比Ti后氧化。原位自生TiB／Ti，TiC／Ti，(TiB+TiC)／Ti和(TiB+TiC)／Ti6242基复合材料在823，，：73和923K空气中恒温氧化300h后，氧化动力学曲线遵循抛物线规律。单独TiB或TiC增强的钛基复合材料氧化时，氧化速度低于其基体合金，而且

4、随着增强体含量增加氧化速度下降：TiB与TiC增强体摩尔比为4：1的钛基复合材料的氧化速度要比TiB与TiC增强体摩尔比为l：l的钛基复合材料的氧化速度低；合金化铝元素的加入可以降低钛基复合材料的氧化速度。钛基复合材料在823，873和923K空气中恒温氧化300h后，利用x射线衍射仪和x光电子能谱议分析，表明氧化产物主要是由金红石型的Ti02或金红石型的Ti02和n-A1203组成。x射线衍射仪、x光电子能谱议和电子探针的分析没有检测到钛的其他价态的氧化物，钛的氮化物，B203这种氧化物，以及其他合金元素的氧化物。研究

5、了钛基复合材料氧化后氧化层结构和形貌，实验结果和氧化层建模分析表明钛基复合材料氧化层厚度要小于其基体金属，而且氧化层成为一个整体，没有氧化剥落情况发生。氧化层的纵断面致密，与基体合金结合良好，没有裂缝出现。钛基复合材料在823，873，923K恒温氧化时，试样表面将氧化，根据氧化程度不同，氧化层可分为：氧高度化学吸附区、氧化膜区、氧高剃度扩散区和氧缓慢扩散区。加入合金化铝元素后的钛基复合材料氧化后，在氧化层次外层，是以A1203为主的连续的比较致密的Ti02和A1203的混合氧化物层，接着是富Ti的Ti02和A1203的

6、混合物氧化物层，再接着是富Al的Ti02和A1203的混合物氧化物层，也是氧扩散层。增强体TiB、TiC可以提高钛基复合材料的抗氧化性。从热力学上分析，以及高温金相原位观察表明氧化初始阶段Ti要比增强体TiB和TiC优先氧化。出于增强体Tig、TiC的加入使基体晶粒细化，大量的晶界以及均匀分布的增强体本身都是氧化形核的短程通道，细化的晶粒和增强体作为氧化非均质形核的核心点；提高了氧化形核速率，促进了局部致密氧化层的形成，一旦氧化物形核完成，"liB和TiC增强体又成为氧化物颗粒进一步长大的障碍，也阻止氧进一步向里扩散；而

7、且，晶内或沿着晶界相与相之问的优先氧化将会在极其微小的尺寸范围内发生，从而使基体金属与氧化层界面粗糙而高低不平。有些界面部分就会渗透到基体金属与基体金属紧密结合成为一个整体，不发生分层，提高氧化层致密度。TiB和TiC增强体氧化后形貌基本没有改变，TiB氧化后与基体Ti界面干净，没有反应物存在。这些因素都促进了细小氧化物颗粒的生成，增加氧化层的致密度。从而提高了钛基复合材料抗氧化性。合金化Al元素的加入，TiB增强体的形貌基本没有改变，导致形成的TiB和TiC初晶更为细小，尤其是使TiC增强体容易由树枝晶长为等轴状，促进

8、致密氧化层的形成，从而有利于钛基复合材料的抗氧化性增加。同样氧化条件下，颗粒增强体TiB提高钛基复合材料抗氧化性能力要比增强体TiC好。石墨的添加改变了制备复合材料的凝固过程，形成更多的树枝状增强相TiC，而且TiC氧化后会生成C02气体，气体逸出使氧化层变得疏松，氧化层的致密度降低。而TiB增强体氧化后未氧化部分形