Al-Ti-TiO-,2--Nb-,2-O-,5-系原位反應合成Al-,2-O-,3--TiAl網(wǎng)絡結構IMCs的研究.pdf

1、TiAl金屬間化合物具有低密度、高比強度、高彈性模量、良好的抗蠕變以及抗氧化能力等特性，有望用于航空、航天、能源及汽車的高溫結構件。目前，鑄態(tài)Ti-Al金屬間化合物大多存在晶粒粗大、室溫塑性低、加工性能差以及高溫抗氧化性明顯不足，仍然是其實用化的主要障礙。合成方法和工藝決定了其結構和性能，合適的方法配合恰當?shù)墓に?，是獲得晶粒細小、性能良好的Ti-Al金屬間化合物的關鍵。 Al<,2>O<,3>顆粒熔點高、化學穩(wěn)定性好、強度和彈性

2、模量高，且與TiAl金屬間化合物的熱膨脹系數(shù)較為接近，二者具有良好的化學、物理相容性，是增強TiAl金屬間化合物最有效的增強體之一。網(wǎng)絡交叉復合材料(IPCs)，因能引入三維連續(xù)網(wǎng)絡結構增強相，其獨特的增強相結構有助于改善高溫性能，提高機械強度和韌性，顯示了其潛在的優(yōu)勢。原位合成工藝由于易于獲得細化的基體晶粒、清潔的第二相界面且對第二相的數(shù)量及分布能夠進行控制，從而提高了產(chǎn)物組織的穩(wěn)定性和力學性能，因而在制備工藝的選取時倍受研究者的重視

3、。 本文采用固態(tài)置換反應原位合成工藝，利用Al-Ti-TiO<,2>-Nb<,2>O<,5>系的放熱反應，獲得了三維連續(xù)網(wǎng)絡結構增強相強化的TiAl復合材料；采用差熱分析法(DTA)研究了Al-Ti-TiO<,2>-Nb<,2>O<,5>系的反應過程；借助X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)結合能譜分析(EDS)以及光學顯微鏡(OM)測試，分析了產(chǎn)物的相組成、晶粒大小和微觀形貌；通過熱重分析實驗，分析了試樣的抗氧化性能。同

4、時，研究了不同工藝條件下合成產(chǎn)物的力學性能變化，并探討了其韌化機理。 DTA結果表明：Ti-Al、Al-TiO<,2>以及Al-Nb<,2>O<,5>的反應均經(jīng)由多個中間反應直至最后完成。Ti-Al-TiO<,2>系782℃和950℃處的兩放熱峰對應了Ti-Al系755℃和Al-TiO<,2>系915℃處的放熱峰，滯后是由于反應初期TiO<,2>的稀釋作用。由于Al-Nb<,2>O<,5>直接置換單質(zhì)Nb的反應在鋁熔化之前即可發(fā)

5、生并釋放大量熱能，該熱能促進了前期和后期反應，易于實現(xiàn)低溫致密化燒結，且造成TI-Al-TiO<,2>-Nb<,2>O<,5>系放熱峰前移，單質(zhì)Nb和Al液反應最終形成了NbAl<,3>。 57．46Ti-36.78Al-5.76TiO<,2>-nNb<,2>O<,5>系經(jīng)1200℃燒結保溫60min后，其合成產(chǎn)物的物相檢測結果表明：產(chǎn)物由TiAl、Ti<,3>Al、Al<,2>O<,3>以及NbAl<,3>相組成。微觀結構分析表明：A

6、l<,2>O<,3>顆粒分布于基體交界處，存在一定的偏聚，并沿晶網(wǎng)狀分布。Nb<,2>O<,5>的引入，使Al<,2>O<,3>顆粒呈彌散狀分布，并細化了基體晶粒。OM分析表明：當Nb<,2>O<,5>摻雜量為6wt％時，基體組織主要由半連通狀的α<,2>/γ層片晶團組成，晶團平均尺寸為1.5μm，基體交界處的連通狀．Al<,2>O<,3>顆粒的平均尺寸約為1.4μm。隨Nb<,2>O<,5>摻雜量的增大，層片晶團尺寸逐漸減小。力學性能

7、測試表明：產(chǎn)物的密度、相對密度和洛氏硬度隨Nb<,2>O<,5>摻雜量的增大而增大；抗彎強度和斷裂韌性呈峰值變化，在Nb<,2>O<,5>摻雜量為6wt％時，達到最大，分別為398.5MPa和6.99MPa-m<'1/2>。 不同工藝參數(shù)的研究結果表明：①升高燒結溫度，綜合力學性能降低；②縮短保溫時間，抗彎強度明顯增大，斷裂韌性略微降低；③延長混合粉的球磨時間，綜合力學性能大幅度提高。此外，43.9Ti-38.6Al-17.5T

8、iO<,2>-nNb<,2>O<,5>系和57.46Ti-36.78Al-5.76TiO<,2>-nNb<,2>O<,5>系的合成產(chǎn)物相比，因前者中Al<,2>O<,3>的生成量較高，其抗彎強度遠遠高于后者的，將近642MPa，斷裂韌性略微降低，約為6.69MPa·m<'1/2>。 研究表明，本體系復合材料增韌的方法大致為四種，即：①細晶增韌；②Nb<,2>O<,3>對雙相基體的調(diào)控作用；⑨殘余應力場增韌；④裂紋偏轉(zhuǎn)與裂紋橋接增

9、韌。 抗氧化性能分析表明：加入Nb<,2>O<,5>后，材料的氧化抗力明顯改善，初始氧化動力學符合線性規(guī)律，斷續(xù)氧化動力學則符合拋物線規(guī)律。高溫氧化產(chǎn)物的表面均未形成均一的保護性．Al<,2>O<,3>膜，但高溫氧化形成的富Nb<,2>O<,5>和Al<,2>O<,3>的復合氧化物層，具有阻礙Ti元素擴散的作用。適量Nb<,2>O<,5>的加入，增加了Al的活度，抑制了TiO<,2>的生長，促進了Al<,2>O<,3>保護層的形