TiCx-FE-Al材料的制備與性能研究.pdf

1、采用陶瓷顆粒增強的方法可以提高金屬材料的剛度、比強度、耐磨損、耐沖擊、抗蠕變等性能，在交通運輸、核能、冶金機械等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。
　　本研究通過原位反應(yīng)型復(fù)合的常壓制備技術(shù)和原位熱擠壓制備技術(shù)，成功制備出具有良好性能、可以滿足一定工業(yè)應(yīng)用要求的非化學(xué)計量比TiCx增強Fe基原位反應(yīng)型復(fù)合材料。
　　本論文以理論分析與實驗研究相結(jié)合的研究方法，通過材料電子層次的理論設(shè)計、熱力學(xué)與動力學(xué)反應(yīng)機理分析、制備工藝參數(shù)影響、材

2、料顯微組織結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的強韌化規(guī)律等分析的技術(shù)路線，探討了MAX-金屬反應(yīng)型復(fù)合材料的反應(yīng)機理、制備工藝、顯微組織結(jié)構(gòu)及性能的基本規(guī)律，主要研究了如下內(nèi)容:
　　1，通過Ti3AlC2-Fe體系價電子理論和密度泛函理論研究，探討了原位反應(yīng)的本質(zhì)，進而對復(fù)合材料的組分和界面等進行設(shè)計。
　　2，研究了Ti3AlC2-Fe體系材料熱力學(xué)、動力學(xué)反應(yīng)機理以及高溫下Ti3AlC2在Fe基體中拓撲轉(zhuǎn)變行為。
　　3，研究T

3、iCx/Fe-Al材料的制備工藝參數(shù)、顯微組織結(jié)構(gòu)以及宏觀性能的變化規(guī)律。
　　以MAX相為先驅(qū)體制備非計量比MX/Fe-A體系反應(yīng)型復(fù)合材料，可以克服傳統(tǒng)陶瓷增強相所存在的界面潤濕性差、增強相難以達到亞微米尺寸且分布均勻等難題，但也存在反應(yīng)控制、結(jié)構(gòu)調(diào)整等特色問題，需要對傳統(tǒng)材料制備技術(shù)進行改進，從而實現(xiàn)所制備的復(fù)合材料具有良好的組織成分、顯微結(jié)構(gòu)與界面聯(lián)接，使其性能能更充分發(fā)揮。本論文解決了如下主要關(guān)鍵問題:
　　1，如

4、何控制MAX相的分解，以獲得TiCx增強相;
　　2，如何實現(xiàn)對復(fù)合材料顯微組織、結(jié)構(gòu)調(diào)整問題;
　　3，克服復(fù)合材料制備中致密化等工藝技術(shù)問題。
　　在此基礎(chǔ)上，揭示了材料的制備工藝、組織結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的基本規(guī)律關(guān)系，為進一步研制更高性能和更滿足實際應(yīng)用的非化學(xué)計量比陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料提供了理論與實驗依據(jù)。得到了如下主要結(jié)論:
　　1，Ti3AlC2與Fe之間的原位反應(yīng)機理，為Fe原子與Al原子之間

5、成鍵能力較強，使Ti3AlC2中的Al原子析出并擴散到Fe中形成Al原子含量局域梯度變化的Fe-Al過渡層偏聚結(jié)構(gòu)，而Ti3AlC2則轉(zhuǎn)變成TiCx相。所制備的TiCx/Fe-Al復(fù)合材料中，最優(yōu)界面為(110)Fe-Al的晶面與(100)TiCx的晶面聯(lián)接。
　　2，Ti3AlC2在Fe的環(huán)境中分解溫度會降低，最終在復(fù)合材料形成反應(yīng)產(chǎn)物為TiCx和Fe-Al，并表現(xiàn)出放熱效應(yīng)。Ti3AlC2-Fe體系的反應(yīng)活化能為75.26 k

6、J/mol。
　　3，TiCx/Fe-Al制備的最優(yōu)燒結(jié)溫度為1300～1400℃，最優(yōu)保溫時間為30mins，原料中Ti3AlC2的含量應(yīng)低于30 vol.％。
　　4，F(xiàn)e-Ti3AlC2體系反應(yīng)機制為原位反應(yīng)-擴散-潰散-顆粒形成，反應(yīng)后，所形成的TiCx顆粒厚度甚至只有50nm，且顆粒與基體界面潔凈，聯(lián)接較好。
　　5，原位熱擠壓所制備15.61TiCx/Fe-Al樣品的抗拉強度能達到666MPa，拉伸應(yīng)變達到

7、7％。在拉伸載荷的作用下，TiCx/Fe-Al材料的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線可以分為四個強化階段，并表現(xiàn)為非均勻變形。
　　主要創(chuàng)新成果如下:
　　1，通過價電子理論和密度泛函理論計算、材料設(shè)計、材料熱力學(xué)和動力學(xué)研究，分析了Ti3AlC2與Fe之間的反應(yīng)機理。
　　2，基于上述分析和計算，制備出TiCx/Fe-Al塊體材料。分析了高溫條件下Ti3AlC2與Fe的反應(yīng)機制，并初步得到透射電鏡的證實。
　　3，采用原位熱擠