Al-Ti-TiO-,2--Nb-,2-O-,5-系原位反應(yīng)合成Al-,2-O-,3--TiAl網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)IMCs的研究.pdf

1、TiAl金屬間化合物具有低密度、高比強(qiáng)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(chē)的高溫結(jié)構(gòu)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(shí)用化的主要障礙。合成方法和工藝決定了其結(jié)構(gòu)和性能，合適的方法配合恰當(dāng)?shù)墓に嚕谦@得晶粒細(xì)小、性能良好的Ti-Al金屬間化合物的關(guān)鍵。 Al<,2>O<,3>顆粒熔點(diǎn)高、化學(xué)穩(wěn)定性好、強(qiáng)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(xué)、物理相容性，是增強(qiáng)TiAl金屬間化合物最有效的增強(qiáng)體之一。網(wǎng)絡(luò)交叉復(fù)合材料(IPCs)，因能引入三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)相，其獨(dú)特的增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)有助于改善高溫性能，提高機(jī)械強(qiáng)度和韌性，顯示了其潛在的優(yōu)勢(shì)。原位合成工藝由于易于獲得細(xì)化的基體晶粒、清潔的第二相界面且對(duì)第二相的數(shù)量及分布能夠進(jìn)行控制，從而提高了產(chǎn)物組織的穩(wěn)定性和力學(xué)性能，因而在制備工藝的選取時(shí)倍受研究者的重視

3、。 本文采用固態(tài)置換反應(yīng)原位合成工藝，利用Al-Ti-TiO<,2>-Nb<,2>O<,5>系的放熱反應(yīng)，獲得了三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)相強(qiáng)化的TiAl復(fù)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(yīng)過(guò)程；借助X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)結(jié)合能譜分析(EDS)以及光學(xué)顯微鏡(OM)測(cè)試，分析了產(chǎn)物的相組成、晶粒大小和微觀形貌；通過(guò)熱重分析實(shí)驗(yàn)，分析了試樣的抗氧化性能。同

4、時(shí)，研究了不同工藝條件下合成產(chǎn)物的力學(xué)性能變化，并探討了其韌化機(jī)理。 DTA結(jié)果表明：Ti-Al、Al-TiO<,2>以及Al-Nb<,2>O<,5>的反應(yīng)均經(jīng)由多個(gè)中間反應(yīng)直至最后完成。Ti-Al-TiO<,2>系782℃和950℃處的兩放熱峰對(duì)應(yīng)了Ti-Al系755℃和Al-TiO<,2>系915℃處的放熱峰，滯后是由于反應(yīng)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(yīng)在鋁熔化之前即可發(fā)

5、生并釋放大量熱能，該熱能促進(jìn)了前期和后期反應(yīng)，易于實(shí)現(xiàn)低溫致密化燒結(jié)，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(yīng)最終形成了NbAl<,3>。 57．46Ti-36.78Al-5.76TiO<,2>-nNb<,2>O<,5>系經(jīng)1200℃燒結(jié)保溫60min后，其合成產(chǎn)物的物相檢測(cè)結(jié)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(jié)構(gòu)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(xì)化了基體晶粒。OM分析表明：當(dāng)Nb<,2>O<,5>摻雜量為6wt％時(shí)，基體組織主要由半連通狀的α<,2>/γ層片晶團(tuán)組成，晶團(tuán)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(tuán)尺寸逐漸減小。力學(xué)性能

7、測(cè)試表明：產(chǎn)物的密度、相對(duì)密度和洛氏硬度隨Nb<,2>O<,5>摻雜量的增大而增大；抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性呈峰值變化，在Nb<,2>O<,5>摻雜量為6wt％時(shí)，達(dá)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(jié)果表明：①升高燒結(jié)溫度，綜合力學(xué)性能降低；②縮短保溫時(shí)間，抗彎強(qiáng)度明顯增大，斷裂韌性略微降低；③延長(zhǎng)混合粉的球磨時(shí)間，綜合力學(xué)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(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)合材料增韌的方法大致為四種，即：①細(xì)晶增韌；②Nb<,2>O<,3>對(duì)雙相基體的調(diào)控作用；⑨殘余應(yīng)力場(chǎng)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(dòng)力學(xué)符合線性規(guī)律，斷續(xù)氧化動(dòng)力學(xué)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(hù)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(fù)合氧化物層，具有阻礙Ti元素?cái)U(kuò)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(zhǎng)，促進(jìn)了Al<,2>O<,3>保護(hù)層的形