納米TiB2增韌AlMgB14基超硬復(fù)合材料制備及其綜合性能研究.pdf

1、AlMgB14材料具有優(yōu)良的力學性能、良好的化學穩(wěn)定性以及低密度、低成本等一系列優(yōu)點，在切削刀具、耐磨涂層以及航空航天關(guān)鍵零部件等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。但是其韌性及抗高溫氧化性差等缺點限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。基于此，本文將納米TiB2添加到AlMgB14中用于提高其力學性能和抗高溫氧化性能。同時，將高韌性的AlMgB14-TiB2復(fù)合材料與金屬連接形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，為拓展AlMgB14材料的應(yīng)用范圍提供理論基礎(chǔ)。
　　本文采用電

2、場激活與壓力輔助合成FAPAS(Field Activated and Pressure Assisted Synthesis)技術(shù)制備了AlMgB14塊體材料、納米TiB2增韌AlMgB14-TiB2超硬復(fù)合材料和 TiB2/AlMgB14-TiB2層狀復(fù)合材料。采用電場輔助擴散連接FDB（field-assisted diffusion bonding）技術(shù)同步完成了AlMgB14-30wt.％TiB2復(fù)合材料的合成及其與Mo、Nb

3、金屬板材的連接，制備了 AlMgB14-TiB2/金屬復(fù)合材料。利用數(shù)顯顯微硬度計對試樣的硬度進行測試，并利用掃描電子顯微鏡（SEM）對壓痕尖端裂紋擴展長度進行測量，探討增強相對復(fù)合材料的硬度及斷裂韌性的影響機理。利用多功能材料表面實驗儀對 AlMgB14塊體材料和納米 TiB2增韌 AlMgB14-30wt.%TiB2復(fù)合材料在25 ℃-800 ℃溫度范圍的摩擦因數(shù)進行了測定，采用 HT-1000型球-盤往復(fù)式高溫摩擦磨損試驗機對 A

4、lMgB14-30wt.%TiB2復(fù)合材料在25 ℃-800 ℃溫度范圍的磨損性能進行了測試，并結(jié)合 X射線衍射儀（XRD）、SEM、能譜儀（EDS）等分析方法分析了摩擦磨損表面形貌、物相結(jié)構(gòu)及元素分布情況，探討了復(fù)合材料在不同溫度下的摩擦學特性及TiB2增強相對復(fù)合材料高溫摩擦磨損性能的影響機理。采用熱重分析法對復(fù)合材料的高溫氧化行為進行測試。采用第一性原理對AlMgB14-TiB2試樣的晶格參數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)進行了解析，并與理論值進行了

5、對比，對氧氣分子在復(fù)合材料表面的吸附進行了數(shù)值模擬，計算并分析了模型的吸附能和態(tài)密度，并結(jié)合 XRD、SEM、EDS等方法觀察和分析試樣氧化層表面和橫截面的形貌及物相組成，探討復(fù)合材料的高溫氧化行為機理。對 AlMgB14-TiB2/金屬復(fù)合材料的硬度分布和連接強度進行了測定，并探討了復(fù)合材料與金屬板材的擴散連接機理。
　　結(jié)果表明，在合成溫度1400 ℃、壓力50MPa、保溫時間8min的工藝條件下制備的AlMgB14-TiB2

6、復(fù)合材料，其中的AlMgB14晶體的晶格參數(shù)更接近于Al0.75Mg0.78B14，該相精修后的Rwp值為3.47%，TiB2相精修后的Rwp值為4.95%。TiB2相的晶格參數(shù)和原子位置相對于理論值略有偏差，說明在合成過程中兩者之間會互相擠壓，從而導致大量晶格畸變產(chǎn)生。晶格畸變的產(chǎn)生有利于提高試樣的硬度和韌性。隨著TiB2含量的增加，復(fù)合材料的顯微硬度和斷裂韌性線性增加。當TiB2含量為70wt.%時，復(fù)合材料的力學性能最佳。TiB2

7、與AlMgB14相的界面屬于半共格界面，結(jié)合界面的原子錯配度為6.34%，兩相間存在較低的界面能結(jié)構(gòu)，TiB2在復(fù)合材料中的增韌機制主要表現(xiàn)為裂紋偏轉(zhuǎn)。
　　室溫下AlMgB14塊體材料的摩擦因數(shù)平均值為0.5，而AlMgB14-30wt.%TiB2復(fù)合材料為0.45，兩者相差不大。溫度升高至300 ℃，AlMgB14-30wt.%TiB2復(fù)合材料的摩擦因數(shù)平均值約為0.45，而 AlMgB14塊體材料的摩擦因數(shù)平均值高于復(fù)合材料

8、，約為0.65。AlMgB14-30wt.%TiB2復(fù)合材料在800 ℃以下的摩擦因數(shù)隨溫度的升高呈現(xiàn)增加的趨勢，摩擦因數(shù)值在0.4-0.65之間，磨損機制為磨粒磨損和粘著磨損。但溫度升高到800 ℃后，磨損表面生成了一層具有自潤滑性能的TiO2薄膜，使得摩擦因數(shù)降為0.12，磨損機制變?yōu)檠趸p。
　　AlMgB14塊體材料、AlMgB14-10wt.%TiB2和AlMgB14-30wt.%TiB2復(fù)合材料的氧化動力學曲線滿足直

9、線和曲線復(fù)合的規(guī)律。三種材料氧化速率大小順序為 AlMgB14塊體材料＞ AlMgB14-10wt.%TiB2＞ AlMgB14-30wt.%TiB2。與塊體材料相比，AlMgB14-10wt.%TiB2和 AlMgB14-30wt.%TiB2復(fù)合材料的高溫抗氧化性分別提高2~4倍和3~7倍。材料截面形貌和XRD結(jié)果也表明AlMgB14-30wt.%TiB2復(fù)合材料具有更好的抗高溫氧化性能。
　　在溫度為1400 ℃，壓力為50M

10、Pa的條件下，采用FDB技術(shù)能夠同步實現(xiàn)AlMgB14-30wt.%TiB2復(fù)合材料合成及其與金屬Nb、Mo的冶金連接，復(fù)合材料與金屬之間形成的擴散層厚度在150~200μm之間。與金屬Nb形成的擴散層主要組成相為NbB2，與金屬Mo形成的擴散層主要組成相為MoB4。相比而言，與Nb連接時形成的接頭連接強度高于與Mo連接時的連接強度。
　　TiB2/AlMgB14-TiB2層狀復(fù)合材料的高溫氧化結(jié)果表明，TiB2表層在不同溫度下形