TiAlC-Al2O3復(fù)合材料的原位反應(yīng)合成及其性能研究.pdf

1、TiAlC(Ti2AlC，Ti3AlC2)三元層狀材料兼具有金屬和陶瓷特性，與金屬一樣，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，相對較低的硬度，可以用傳統(tǒng)的加工方式進(jìn)行加工以及在高溫下具有塑性。與陶瓷相似，具有高熔點(diǎn)、高彈性模量、高熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化性能。同時(shí)像石墨一樣具有優(yōu)良的自潤滑性能。因此這些優(yōu)異的性能使其具有廣闊的應(yīng)用前景。然而由于因其較低的強(qiáng)度和硬度，極大地限制了其作為高溫結(jié)構(gòu)材料的使用。引入第二相進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化是目前改善TiAlC材料綜合

2、性能的有效措施。由于Al2O3具有較高的硬度和高的彈性模量，優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，具有同Ti2AlC和Ti3AlC2接近的熱膨脹系數(shù)，因此在本論文中，通過原位反應(yīng)生成引入Al2O3顆粒來改善TiAlC材料的強(qiáng)度和硬度。分別研究了原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)合成Ti2AlC/Al2O3和Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料的制備過程，并研究了其合成過程的反應(yīng)機(jī)理、顯微結(jié)構(gòu)、物理性能、循環(huán)氧化行為以及摩擦磨損行為。
　　 論文首先通過X射線衍射(XR

3、D)研究了Ti-Al-TiC-TiO2體系原位反應(yīng)中的物相生成及轉(zhuǎn)化過程及TiC含量對合成產(chǎn)物物相的影響。結(jié)果表明:Ti-Al-TiC-TiO2體系合成Ti3AlC2/Al2O3以及Ti2AlC/Al2O3復(fù)合材料的最佳溫度為1350℃，該體系在熱壓過程中的反應(yīng)主要分為兩步，首先Ti粉與Al粉反應(yīng)生成Ti-Al金屬間化合物，同時(shí)TiO2與Al反應(yīng)生成Al2O3，隨后，Ti-Al金屬間化合物與TiC反應(yīng)生成TiAlC基體。由于Al在高溫下

4、的揮發(fā)使元素比偏離TiAlC的化學(xué)計(jì)量比，當(dāng)TiC含量分別降為其理論含量的80mol％和90mol％時(shí)，合成的Ti2AlC/Al2O3和Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料含有的TiC雜質(zhì)相最少。
　　 利用掃描電鏡(SEM)結(jié)合能譜分析(EDS)研究了所制備的Ti2AlC/Al2O3與Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，并通過力學(xué)性能測試研究了材料中Al2O3生成量對所制備復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:所制備的Ti

5、2AlC/Al2O3以及Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料具有層狀基體相和細(xì)小顆粒第二相Al2O3，Al2O3分布在基體晶界處。隨著產(chǎn)物中Al2O3生成量的提高，基體晶粒尺寸逐漸變小，分布更加均勻。但當(dāng)Al2O3含量為15wt％時(shí)，其顆粒團(tuán)聚比較嚴(yán)重。Ti2AlC/Al2O3復(fù)合材料的硬度和彎曲強(qiáng)度隨Al2O3含量的提高而增大，但斷裂韌性出現(xiàn)峰值變化，當(dāng)產(chǎn)物中Al2O3含量為12wt％時(shí)達(dá)到最大值5.37MPa·m1/2。Ti3AlC2

6、/Al2O3復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨Al2O3含量的提高而增大，Al2O3生成量為9wt％時(shí)，Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料的斷裂韌性達(dá)到最大值8.21MPa·m1/2;當(dāng)Al2O3生成量為12wt％時(shí)，Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料的硬度達(dá)到最大值為10.16Gpa。
　　 通過氧化增重實(shí)驗(yàn)、X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)和能譜分析(EDS)對制備的Ti2AlC/Al2O3與Ti3AlC2/Al2O3材料的高溫循

7、環(huán)氧化行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:隨Al2O3含量的增加，Ti2AlC/Al2O3與Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料的抗氧化性提高，復(fù)合材料的抗氧化性優(yōu)于單相材料，且在1100-1300℃空氣中循環(huán)氧化30次符合拋物線規(guī)律。在1200℃以下循環(huán)氧化時(shí)，試樣表面形成致密的TiO2和Al2O3層使材料有優(yōu)異的抗高溫氧化性能。而1300℃的氧化產(chǎn)物由α-Al2O3內(nèi)層、TiO2和Al2TiO5的混合物中間層以及TiO2外層組成，由于TiC雜質(zhì)

8、相的存在以及Al2TiO5的生成使TiAlC材料的抗氧化性能降低。
　　 通過干摩擦實(shí)驗(yàn)，掃描電鏡(SEM)和能譜分析(EDS)對制備的Ti2AlC/Al2O3與Ti3AlC2/Al2O3材料的摩擦磨損行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:隨著Al2O3含量的增加，摩擦系數(shù)減小，磨損率減小。這主要是因?yàn)锳l2O3顆粒承受載荷和增加防止變形，裂紋的生成和擴(kuò)展的抵抗力增大，抑制了基體的變形和斷裂。低載荷下試樣摩擦磨損行為表現(xiàn)為較低的磨損率，此時(shí)