陶瓷相增强tial基复合材料的研究

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1、陶瓷相增强TiAI基复合材料的研究摘要TiAI金属间化合物因其具有低密度、高比强度、高弹性模量、良好的抗蠕变以及抗氧化能力等优异的特性，有望广泛应用于航空、航天、能源及汽车的高温结构件等领域。然而，室温脆性仍然是其实用化的主要障碍。已有的研究表明，引入陶瓷(颗粒、纤维)增强相，获得TiAl基复合材料是改善该材料力学性能的有效途径之一。为此，本文分别利用A1．Ti．A1203w、A1．Ti．C、A1．Ti．B以及稀土氧化物掺杂的A1．Ti．C．Y203、A1．Ti．B．Y203体系，采用辅助压力放热弥散法(pressure．ass

2、istedexothermicdispersion，PAXD)fl；0备出不同陶瓷相的一系列TiAl基复合材料，以求达到改善力学性能的目的。论文主要研究了三个方面的内容：第一，采用机械合金化法，对金属单质Ti粉和Al粉按比例进行高能球磨，并J'I-；DNA1203晶须，利用热压烧结制备了A1203棚．Al基复合材料；第二，利用A1．Ti—C体系的放热反应，原位合成Ti2AIC／TiAI复合材料，同时探讨了Y203掺杂对该体系合成TiAl基复合材料的微观结构及力学性能的影响；第三，利用A1．Ti．B体系的放热反应，原位合成TiB／

3、TiAl基复合材料，并分析稀土氧化物Y203掺杂对A1．Ti．B体系合成TiAl基复合材料显微组织与力学性能的影响。研究结果表明：采用A1203晶须增强TiAl基复合材料。随着球磨时间的延长，起始组分粒径逐渐细化，甚至非晶化，增加了粉料表面能，提高了烧结推动力；同时，晶粒细化，致密度提高，使材料各方面性能都有了显著的提高。随着晶须加入量的增加，复合材料的抗弯强度得到显著提高，当加入量为10wt％A1203晶须，其硬度值最高；对于球磨2h的复合材料，其断裂韧性有所提高，但对于球磨30h的复合材料，其断裂韧性却有下降的趋势，然而综合

4、性能都优于球磨2h的复合材料；采用J'b；Dl纤维增强的方法，工艺较为复杂，成本也较高；此外，长时问的高能球磨往往会引入杂质，降低材料性能。在Al—Ti．C体系中，原位合成了Ti2A1C／TiAI复合材料。从热力学角度分析，可能生成的最终产物有TiC、A14C3和TiAl3，但反应却向生成Ti2A1C的方向进行；从动力学角度分析，TiC、A14C3和TiAl3可能只是中间产物，所以通过控制动力学因素，可以获得三元相Ti2AIC在TiAl基复合材料中的最佳含量。反应初期，主要是Ti与Al的反应形成金属间化合物，放出的热量使系统温度

5、升高；在1026℃左右，引发Ti与C之间的自蔓延反应，TiC生成，使系统温度进一步升高；同时，TiC溶解在TiAI基熔体中，通过保温析出三元相Ti2AIC，其机制可归结为溶解一析出机制。其增强相为Ti2A1C，并有微量的Ti3A1C生成，基体相为TiAI。三元层状Ti2A1C的生成，细化了TiAl基体晶粒，其层状结构阻止了裂纹扩展，同时，残余应力也有效强化复合材料。力学性能测试表明，该材料具有优良的机械性能，其抗弯强度可达743．84MPa，断裂韧性可达9．17MPa·m¨z。在A1．Ti．C．Y203体系中，Y203的掺杂改变

6、了该复合材料增强相组成，使其由掺杂前的Ti2A1C相转变为TiC相为主，并有少量Y3A15012(钇铝石榴石)脆性相的存在。增强相的变化使该材料微观结构及断裂方式发生改变，Ti2AIC／TiAl复合材料以穿晶解理断裂为主，而TiC／TiAl复合材料则以沿晶断裂为主。脆性相Y3A15012含量的增加对该复合材料的室温力学性能产生不利影响。在A1．Ti．B体系中，原位合成了TiB／TiAl复合材料。研究表明，增强相TiB主要以颗粒状、板状及细棒状均匀分布在基体中，其尺寸范围为亚微米级，且界面干净、无污染。尽管热力学上TiB2较TiB

7、更易于生成，但从动力学(原料配比，扩散及生长速率等)分析，TiB2可能只是中间产物而已；无论从热力学还是从动力学分析，A182都是不稳定相，易于分解。该体系反应初期，Al首先受热熔化使得Ti$11B相继溶解于Al液中；Ti与Al之间发生化学反应形成Ti．Al金属间化合物，在此期间，也伴随AIB2的合成与分解。随着系统温度的升高引发了溶解于液相中的B和Ti产生高温自蔓延形成Ti．B化合物。通过保温阶段，TiB2完全转化为TiB。该TiB／TiAl复合材料的抗弯强度及断裂韧性较二元的TiAl金属间化合物有很大的提高，主要强化机制有：

8、弥散强化、热膨胀合理失配强化机制、晶须(晶棒)强化。在Ti．A1．B．Y203体系中，反应产物的相组成，基体为Ti3Al和TiAl相，增强相为TiB，并有微量的YAl3(B03)4相生成。Y203的引入，改变了基体TiAl相和Ti3Al相相对含量，并生成了YAl