TiNif-Al復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研究.pdf

1、飛行器飛行速度的不斷提高給飛行器的外部結(jié)構(gòu)帶來強烈的氣動加熱問題，對結(jié)構(gòu)材料提出了高溫下剛度不降低的要求。本文致力于設(shè)計并制備一種在一定溫度范圍內(nèi)彈性模量保持不變的恒彈性輕質(zhì)復(fù)合材料。選擇三種 TiNi合金絲(TiNi50、TiNi50.3和TiNi50.6)作為增強體，輕質(zhì)Al合金(1060Al)作為基體。采用壓力浸滲法制備了TiNif/Al復(fù)合材料。利用萬能試驗機和動態(tài)熱機械分析儀分析了復(fù)合材料的靜態(tài)拉伸性能、動態(tài)力學(xué)性能和阻尼性能

2、；利用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡詳細分析了復(fù)合材料的界面顯微結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料的斷口形貌和微觀組織變化；結(jié)合TiNi合金絲在Al基體約束條件下的相變行為，討論了TiNi合金的相變行為對復(fù)合材料恒彈性性能和阻尼性能的影響。
　　通過調(diào)整 TiNi合金表面氧化層的厚度和成分對復(fù)合材料的界面反應(yīng)進行抑制。TiNi合金絲在400℃、500℃和600℃溫度下氧化后的表面氧化產(chǎn)物主要為 TiO2。將 TiNi合金絲在600℃溫度下氧化1h，合

3、金表面的氧化膜即可以有效阻止合金與 Al基體之間的嚴(yán)重界面反應(yīng)。體積分?jǐn)?shù)為20％時，壓力浸滲制備的TiNi50.3f/Al復(fù)合材料拉伸強度為268MPa，與理論強度非常接近。
　　掃描電鏡和透射電鏡的分析結(jié)果表明，TiNif/Al復(fù)合材料為多層界面結(jié)構(gòu)。由 Al基體向 TiNi合金方向依次為含 TiO2和Ti顆粒的Ti-Al化合物層、TiNi3層和B2奧氏體TiNi層。在Ti-Al氧化物層和TiNi3層之間存在不連續(xù)的Ni5TiO

4、7相。Ni5TiO7與TiAl3之間存在位相關(guān)系[100]TiAl3//[794]Ni5TiO7，(002)TiAl3//(114)Ni5TiO7；同時與NiTi2之間存在位相關(guān)系[210]NiTi2//[423]Ni5TiO7，(240)NiTi2//(112)Ni5TiO7。
　　TiNif/Al復(fù)合材料的室溫拉伸變形過程出現(xiàn)二次屈服現(xiàn)象，分析結(jié)果表明其應(yīng)力應(yīng)變過程表現(xiàn)為兩種不同的機制：其中，TiNi50f/Al和TiNi50

5、.3f/Al的第一次屈服平臺對應(yīng)TiNi50和TiNi50.3合金的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體再取向；而TiNi50.6f/Al的第一次屈服平臺對應(yīng) TiNi50.6合金的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變。隨著 TiNi合金絲體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的拉伸強度不斷增大；隨著溫度升高，不同體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料的拉伸強度不斷下降。不同溫度下 TiNif/Al復(fù)合材料的拉伸斷裂方式均為塑性斷裂。
　　復(fù)合材料的恒彈性性能與TiNi合金的相變密切相關(guān)。TiNi合金相變

6、前，不同溫度復(fù)合材料的儲能模量相對值符合混合定律；TiNi合金相變后，不同溫度復(fù)合材料的儲能模量相對值取決于TiNi合金中馬氏體和奧氏體的相對含量。體積分?jǐn)?shù)為50%時，TiNi50f/Al、TiNi50.3f/Al和TiNi50.6f/Al三種復(fù)合材料分別在130℃到300℃、110℃到300℃以及30℃到300℃溫度范圍內(nèi)可以保持恒彈性。
　　DSC分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)時效和變形引起復(fù)合材料內(nèi)部 TiNi合金的相變行為發(fā)生變化。時效后

7、Ti3Ni4相的析出引起約束態(tài) TiNi50.6合金的馬氏體逆相變和R相變的特征溫度上升；同時抑制馬氏體相變。時效初期，合金晶粒內(nèi)部和晶界處 Ti3Ni4相的不均勻分布，導(dǎo)致合金升溫和降溫時的相變過程中出現(xiàn)三個相變峰。拉伸變形增加約束態(tài)TiNi50和TiNi50.3合金馬氏體的穩(wěn)定性，從而引起合金相變溫度的改變。拉伸應(yīng)變量大于4%時，約束態(tài)TiNi50.6合金內(nèi)部部分應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體發(fā)生再取向，穩(wěn)定性增加，從而在合金升溫時出現(xiàn)兩個相變峰

8、。
　　應(yīng)變變化引起復(fù)合材料內(nèi)部的可動位錯密度發(fā)生變化，從而影響 TiNif/Al復(fù)合材料的儲能模量和阻尼性能。高應(yīng)變時，復(fù)合材料內(nèi)部的可動位錯密度增加，復(fù)合材料的儲能模量相對值快速下降，同時復(fù)合材料的阻尼性能快速增加。而頻率對復(fù)合材料的儲能模量和阻尼性能的影響則與復(fù)合材料內(nèi)部的晶界馳豫有關(guān)。拉伸變形后，復(fù)合材料的儲能模量相對值隨應(yīng)變的變化趨勢基本不變；由于TiNi合金的形狀記憶效應(yīng)在復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生的壓應(yīng)力，復(fù)合材料的阻尼峰值明