硼化钛增韧碳化硼基复合材料的制备与组织性能研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要本文采用原位反应法和机械添加法两种工艺制备TiB2颗粒增韧B4C基复合材料，详细研究了TiB2-B4C复合材料的制备工艺、微观组织结构以及力学性能。经过热力学计算，证明原位反应2TiO2+3C+B4C--2TiB2+3CO1比较容易发生。实验证明，TiB2-B4C体系按照预期设计生成了增强相，TiB2稳定存在于B4C基体中，分散比较均匀。机械混合添加的TiB2粒径粗大，致密度在%%以下。与机械添加法制备的复合材料相比，原位反应法生成的B4C基复合材料由于裂纹的偏转作用与第二相粒子的桥接作用明显，所以在保持B4C高硬度的同时，韧性提高幅度达到5

2、0%a采用原位反应法制备lOvol.%TiB2-B4C复合材料，通过分析烧结过程中烧结工艺参数的变化和原位反应特性，建立了合理的烧结路线，复合材料获得了99.5%以上的致密度。TEM观察表明，部分B4C晶粒内生成了亚微米级/纳米级TiB:晶粒，形成了TiB2双晶间/单晶内结构;随着烧结温度的提高，复合材料两相粒度增加，抗弯强度与断裂韧性逐渐提高，烧结温度为2050℃的复合材料强度与韧性分别达到544MPa和6.3MPa-m1n.裂纹扩展偏转程度的加剧，以及晶粒拔出效应的增强是综合力学性能提高的主要原因。根据实验结果确定20501C为最佳的烧结温度。采用原位反应生成1040%不

3、同体积含A的TiB2增韧B4C基体材料。通过TEM观察发现，亚微米级/纳米级TiB2晶粒在荃体材料内产生了大量的位错，断口形貌观察表明，晶内的亚微米级/纳米级TiB2颗粒改变了复合材料的断裂行为。TiB:体积含量的增加导致硬度与强度有所下降，韧性提高。分析表明，20vol%TiB2-B4C复合材料韧性为7.7MPa-m1a，较lOvol.%TiB2-B4C复合材料增加13.2%，而TiB2体积含量30%与40%的复合材料，韧性增长幅度分别为2.9%与3.7%。结合复合材料裂纹尺寸与第二相粒间间距的变化，确定20vol.%TiB2-B4C复合材料的韧性已接近值，继续增加第二相含

4、量对B4C材料增韧效果并不明显.关键词B4C;TiB2;原位生成;断裂韧性哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractInthisthesis,twokindsofparticlereinforcedB4Cmatrixcompositehavebeenformulatedandfabricatedviain-situsyntheticreactionandmechanicaladdition.Thereactionthermodynamics,preparationprocess,microstructureandmechanicalpropertiesofthemater

5、ialshavebeeninvestigated.Thermodynamiccalculationprovesthatthein-situreactioncanbeactivatedeasily.ExperimentalresultsshowthatthereinforcementhasbeenformedintheTiB2-B4Csystemasanticipated,andTiB2existedstablyintheB4Cmatrix.Inthein-situformedTiB2-B4Ccomposite,unequiaxedTiB2dispersedhomogeneou

6、slyinthematrix;intheas-sinteredTiB2-B4Ccomposite,theparticlesofTiB2arecoarsenedandtherelativedensityisbelow98%;throughtheobservationofTEM，thesub-micron/nano-sizedTiB2particleswereuniformlylocatedwithinthematrixgrains;themainmechanicalperformancesofin-situformedTiB2-B4Ccompositeareasfollows:

7、Hv=24.2GPa,KIC=6.3MPa-m1n，6f-469MPa.It'sobviousthatalltheparametersovermatchas-sinteredTiB2-B4Ccomposite.Inordertoperfectthesinteringtechnique,I0vol.%TiB2-B4Ccompositeshavebeendesigned.Byanalyzingtheparametersofsinteringtechniqueandthespecialcharacterofi