基于SiCp-Al-Ti體系的TiAl基復(fù)合材料板材合成機(jī)制研究.pdf

1、為了滿足我國(guó)航天、航空事業(yè)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)輕質(zhì)高強(qiáng)合金板材的迫切需求,TiAl板材的研制具有十分重要的理論和實(shí)際意義。本文利用Ti板材和SiC顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料板材為原材料,采用疊軋-反應(yīng)退火合成工藝制備得到TiAl基復(fù)合材料板材。在制備板材過(guò)程中,利用SiC顆粒與Ti及Al高溫下的化學(xué)反應(yīng),原位合成增強(qiáng)相,最終成功制備出同時(shí)具有微層(Ti3AlC+Ti8C5)與彌散顆粒Ti5Si3兩種形態(tài)增強(qiáng)體混雜增強(qiáng)的TiAl基復(fù)合材料板材。優(yōu)勢(shì)在于

2、:一是利用疊軋-反應(yīng)合成工藝制備TiAl基板材,成功避免了對(duì)于脆性TiAl材料進(jìn)行直接軋制變形,降低了TiAl板材的制備難度;二是利用SiC顆粒與基體元素的高反應(yīng)活性,制備出多種形態(tài)增強(qiáng)體混雜增強(qiáng)的TiAl基復(fù)合材料板材,為TiAl基復(fù)合材料板材的制備提供了一種新路徑。
　　本文系統(tǒng)地研究了疊軋-反應(yīng)退火合成TiAl基復(fù)合材料板材的制備工藝,著重分析了疊軋變形過(guò)程和反應(yīng)退火合成兩階段(低溫反應(yīng)退火+高溫反應(yīng)退火)過(guò)程中的物相組成,

3、組織演化規(guī)律及反應(yīng)產(chǎn)物的性能特點(diǎn),并對(duì)具有(Ti3AlC+Ti8C5)微層及彌散Ti5Si3顆?；祀s增強(qiáng)的TiAl基復(fù)合材料板材進(jìn)行了片層化熱處理,最終制備出具有細(xì)小全片層組織結(jié)構(gòu)的TiAl基復(fù)合材料板材。對(duì)其進(jìn)行了室溫和高溫力學(xué)性能測(cè)試,分析了增強(qiáng)體對(duì)TiAl基復(fù)合材料板材力學(xué)性能的影響。
　　本文采用純Ti板與SiCp/Al板為原料通過(guò)疊軋制備得到Ti-(SiCp/Al)多層復(fù)合板。Ti-(SiCp/Al)多層復(fù)合板的軋制試驗(yàn)

4、表明,在高溫軋制過(guò)程中,SiCp/Al復(fù)合材料板與純Ti板具有良好的變形協(xié)調(diào)性。對(duì)軋制變形量為40％的Ti-(SiCp/Al)多層復(fù)合板進(jìn)行微觀組織觀察,發(fā)現(xiàn)在Ti層與SiCp/Al層之間存在納米級(jí)的TiAl3界面反應(yīng)層。力學(xué)性能測(cè)試表明該種具有納米TiAl3界面反應(yīng)層的Ti-(SiCp/Al)多層復(fù)合板有著優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。
　　利用制備出的Ti-(SiCp/Al)多層復(fù)合板材反應(yīng)退火合成TiAl基復(fù)合材料板材。本文通過(guò)DTA

5、試驗(yàn)分析將反應(yīng)退火合成工藝分為低溫反應(yīng)退火與高溫反應(yīng)退火兩個(gè)階段。在低溫反應(yīng)退火過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為650℃時(shí),在Ti-(SiCp/Al)界面處有TiAl3反應(yīng)層生成。通過(guò)EDS/TEM分析發(fā)現(xiàn),在TiAl3晶粒中固溶了微量的Si元素。并利用納米壓痕與原子力顯微技術(shù)表征了Si固溶對(duì)于TiAl3相力學(xué)性能的影響。同時(shí)通過(guò)第一性原理計(jì)算從理論上分析了Si固溶對(duì)TiAl3模量及電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。650℃反應(yīng)退火過(guò)程中,隨著TiAl3層的增長(zhǎng)

6、,TiAl3層與SiCp/Al層之間的應(yīng)力不斷增大,最終導(dǎo)致多層復(fù)合板材發(fā)生層間開(kāi)裂。表明在此溫度下無(wú)法順利將Al基復(fù)合材料中的Al全部轉(zhuǎn)化為TiAl3相。當(dāng)?shù)蜏胤磻?yīng)退火溫度為700℃時(shí),由于液相Al的參與導(dǎo)致Ti-Al間的反應(yīng)劇烈,使得TiAl3反應(yīng)層的增長(zhǎng)速率明顯加快。經(jīng)過(guò)700℃/10h低溫反應(yīng)退火后,可將Al基本轉(zhuǎn)化為TiAl3相。通過(guò)EDS及XRD分析發(fā)現(xiàn)低溫反應(yīng)退火后只有微量Al殘余,這些Al可以有效地將松散的TiAl3相連

7、接在一起,避免低溫反應(yīng)退火后板材發(fā)生層間開(kāi)裂,有利于進(jìn)一步高溫退火反應(yīng)的順利進(jìn)行。在此過(guò)程中,液相Al與SiC顆粒間發(fā)生微弱反應(yīng),生成少量的Al4C3相。
　　對(duì)經(jīng)過(guò)700℃/10h低溫反應(yīng)退火后的復(fù)合材料板材進(jìn)行高溫反應(yīng)退火,溫度選定為1200℃。在高溫反應(yīng)退火過(guò)程中,低溫反應(yīng)退火后殘余的純Ti層全部轉(zhuǎn)化為Ti3Al金屬間化合物相。同時(shí)在Ti3Al層與TiAl3層中間有連續(xù)TiAl反應(yīng)層及非連續(xù)TiAl2層生成。通過(guò)物相鑒定發(fā)現(xiàn)

8、,增強(qiáng)體SiC顆粒及在低溫反應(yīng)退火階段生成的Al4C3相全部消失,原位合成Ti3AlC,Ti8C5及Ti5Si3增強(qiáng)體。通過(guò)組織觀察發(fā)現(xiàn),Ti3AlC與Ti8C5被推擠到原始SiCp/Al的中心線區(qū)域形成微層結(jié)構(gòu),而Ti5Si3顆粒分布在TiAl及TiAl2反應(yīng)層中。通過(guò)EDS/TEM分析發(fā)現(xiàn)Ti5Si3相中有微量Al元素固溶,并通過(guò)第一性原理分析了Al固溶導(dǎo)致的Ti5Si3形成能,模量及電子結(jié)構(gòu)的變化情況。隨著高溫反應(yīng)退火的進(jìn)行,Ti

9、Al3層及Ti3Al層不斷被消耗,TiAl2層先增厚后減薄,最終形成具有TiAl,Ti3Al層狀分布結(jié)構(gòu)的TiAl基復(fù)合材料板材。
　　通過(guò)片層化熱處理,使得TiAl基復(fù)合材料板材基體組織轉(zhuǎn)化為全片層結(jié)構(gòu)。由于Ti5Si3顆粒的分布特點(diǎn),導(dǎo)致形成的全片層結(jié)構(gòu)團(tuán)簇尺寸細(xì)小。通過(guò)納米壓痕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),微層(Ti3AlC+Ti8C5)及顆粒Ti5Si3的引入使得TiAl板材的硬度及模量進(jìn)一步提高。同時(shí)微層(Ti3AlC+Ti8C5)使得Ti