金屬及稀土氧化物摻雜Ti-Al2O3復(fù)合材料可控制備及其機(jī)理研究.pdf

1、Ti/Al2O3金屬陶瓷復(fù)合材料作為一種新型的結(jié)構(gòu)功能材料，在航天航空、化學(xué)化工、機(jī)械制造和電子信息等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文利用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，從Ti/Al2O3金屬陶瓷復(fù)合材料的燒結(jié)合成機(jī)理入手，研究其界面元素擴(kuò)散行為、產(chǎn)物形成次序等問題，從動力學(xué)角度求解界面反應(yīng)層元素的擴(kuò)散系數(shù)，建立反應(yīng)動力學(xué)方程，完善熱壓燒結(jié)條件下TUAl2O3復(fù)合材料的燒結(jié)機(jī)理和擴(kuò)散模型。通過在復(fù)合材料體系中引入金屬元素Nb、納米Ni和稀土氧化物CeO2

2、、Y2O3等，實(shí)現(xiàn)對Ti-Al2O3界面反應(yīng)的控制，抑制Ti3Al相生長和強(qiáng)界面的形成，優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和物相組成;采用XRD、SEM、EPMA、WDS和EDS等手段，分析Ti-Al2O3界面反應(yīng)、微區(qū)結(jié)構(gòu)演變與控制機(jī)理，優(yōu)化材料組分與制備工藝，獲得性能優(yōu)良的Ti/Al2O3復(fù)合材料。
　　研究了Ti/Al2O3復(fù)合材料在燒結(jié)溫度為1350℃、1400℃、1450℃、1500℃時的界面反應(yīng)產(chǎn)物，結(jié)果表明，高溫下Al2O3分解出的Al和

3、Ti反應(yīng)生成Ti3Al和TiAl金屬間化合物，而Al、Ti和O反應(yīng)，生成Al2TiO5;隨著燒結(jié)溫度的升高，Ti3Al相逐漸增多，TiAl相則逐漸減少。利用拉烏爾定律和亨利定律，在忽略O(shè)與Ti固溶對該體系吉布斯自由能影響的前提下，對Ti-Al2O3界面反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行了熱力學(xué)計算。通過計算得出:ΔGTi3Al＜ΔGTiAl＜0，表明在高溫條件下，兩種金屬間化合物均可自發(fā)形成，但Ti3Al相更容易生成;且隨著燒結(jié)溫度的升高，Ti3Al的吉布斯

4、自由能逐漸降低，而TiAl的吉布斯自由能逐漸增大，因此，溫度越高，生成的Ti3Al相越多。性能測試結(jié)果表明，燒結(jié)溫度對Ti/Al2O3復(fù)合材料的相對密度、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性有顯著影響，當(dāng)燒結(jié)溫度為1450℃時達(dá)到最大，分別為96.13％、329MPa和5.1MPa·m1/2。
　　研究了金屬外摻元素Nb和納米Ni對復(fù)合材料界面組成、結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，Nb和納米Ni均能有效改善Ti/Al2O3復(fù)合材料的物相組成和界面結(jié)構(gòu)，

5、Nb摻雜Ti/Al2O3復(fù)合材料界面處生成AlNb2相;而摻入納米Ni后，Ti-Al2O3界面處生成Al3Ni、Ni2Ti和Al2Ni4O。兩種外摻金屬元素均有效抑制了Ti與Al2O3之間劇烈的界面反應(yīng)，減少了脆性Ti3Al相的生成，優(yōu)化了復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)和組成。研究了Nb和納米Ni摻量對Ti/Al2O3復(fù)合材料性能的影響，確定了Nb和納米Ni的最佳摻量分別為1.5vol.％和1vol.％。在此基礎(chǔ)上，研究了燒結(jié)溫度和保溫時間對金屬摻

6、雜Ti/Al2O3復(fù)合材料性能和界面結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，升高燒結(jié)溫度和延長保溫時間，復(fù)合材料的性能顯著提升。當(dāng)燒結(jié)溫度為1450℃，保溫時間90min時，Nb摻雜Ti/Al2O3復(fù)合材料的性能最佳，其相對密度、彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和顯微硬度分別為99.26％、410.29MPa、6.89MPa·m1/2和16.8GPa;當(dāng)燒結(jié)溫度為1450℃，保溫時間為60min時，納米Ni摻雜Ti/Al2O3復(fù)合材料的性能最佳，其相對密度、彎曲強(qiáng)

7、度、斷裂韌性和顯微硬度分別為99.24％、425.77MPa、7.94MPa·m1/2和17.17GPa。這主要是因?yàn)橥鈸浇饘僭丶?xì)化了Ti/Al2O3復(fù)合材料的晶粒，降低了氣孔率，抑制了Ti與Al2O3之間的界面反應(yīng)，當(dāng)材料發(fā)生斷裂時，其斷裂模式發(fā)生改變，同時裂紋在擴(kuò)展的過程中發(fā)生橋聯(lián)和偏轉(zhuǎn)，消耗了斷裂能，從而提高了材料的力學(xué)性能。
　　CeO2的摻入有效改善了Ti/Al2O3復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)和物相組成，在界面處生成新的化合物

8、CeAlO3和CeAl11O18，計算界面反應(yīng)產(chǎn)物的自由能ΔG大小關(guān)系為:ΔGAl2TiO5＜ΔGCeAl11O18＜ΔGCeAlO3＜ΔGTi3Al＜ΔGTiAl，因此，Al2TiO5、 CeAlO3、CeAl11O18在高溫?zé)Y(jié)過程中更易生成，有效阻礙了Al向Ti側(cè)擴(kuò)散，優(yōu)化了復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)，提高了材料的力學(xué)性能。通過研究CeO2摻量對復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CeO2摻量為2.5vol.％時，其力學(xué)性能最佳;在此基礎(chǔ)

9、上研究了燒結(jié)溫度和材料性能之間的關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)燒結(jié)溫度為1500℃時，其相對密度、彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和顯微硬度達(dá)到最大，分別為:98.9％、482.6MPa、6.87MPa·m1/2和16.3GPa。通過研究Y2O3摻量和燒結(jié)溫度對Y2O3摻雜Ti/Al2O3復(fù)合材料性能的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Y2O3摻量為2.5vol.％，燒結(jié)結(jié)溫度為1500℃時，Y2O3摻雜Ti/Al2O3復(fù)合材料的性能達(dá)到最佳值，其相對密度、彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和顯微硬

10、度分別為:99.2％、462.6MPa、6.57MPa·m1/2和16.6GPa。由于CeO2的摻入，Ti/Al2O3復(fù)合材料中生成了一部分異型晶粒CeAlO3和CeAl11O18，不僅填充了一部分復(fù)合材料內(nèi)部的氣孔，較高長徑比的異形棒狀晶粒起到了類似于纖維和晶須的增強(qiáng)增韌作用，該晶粒在斷裂中具有更高的拔出功，消耗更多的斷裂能，顯著提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能;而Y2O3的摻入，在復(fù)合材料界面處生成YAl、YAl2相，阻礙了Ti3Al相的生

11、成，優(yōu)化了界面結(jié)構(gòu)，當(dāng)材料發(fā)生斷裂時，產(chǎn)生沿晶斷裂和穿晶斷裂混合斷裂模式，裂紋路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，延長了其擴(kuò)展的路徑，消耗更多的斷裂能，從而提高了材料的力學(xué)性能。
　　從動力學(xué)角度分析了真空熱壓條件下Ti-Al2O3界面反應(yīng)擴(kuò)散機(jī)制，建立了Ti/Al2O3界面反應(yīng)動力學(xué)方程，探討了CeO2、Y2O3、Nb和納米Ni對Ti-Al2O3界面反應(yīng)控制機(jī)制，研究了燒結(jié)溫度和保溫時間對Ti-Al2O3界面反應(yīng)層厚度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)燒結(jié)溫度

12、為1250℃時，界面反應(yīng)層平均厚度為63.1μm，隨著燒結(jié)溫度的提高，界面致密化程度不斷增加，界面反應(yīng)層的厚度呈指數(shù)增加，當(dāng)溫度為1500℃時，界面反應(yīng)層平均厚度達(dá)123.4μm。利用經(jīng)驗(yàn)公式計算得到界面處各元素的擴(kuò)散系數(shù)，Al元素的擴(kuò)散系數(shù)明顯大于O元素和Ti元素，且隨著燒結(jié)溫度的提高，Al元素的擴(kuò)散系數(shù)顯著增加，呈指數(shù)型增長規(guī)律，界面反應(yīng)層的形成主要是由Al元素擴(kuò)散控制的。依據(jù)反應(yīng)層厚度與時間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，計算無摻雜Ti-Al2O

13、3界面反應(yīng)層厚度與燒結(jié)溫度、保溫時間的對應(yīng)關(guān)系，并經(jīng)線性擬合后得出Ti-Al2O3界面反應(yīng)動力學(xué)方程為:d=182.5exp(-6.6×104/RT)t048。CeO2、Y2O3、Nb和納米Ni摻雜均不同程度的降低了Ti-Al2O3界面處各元素的擴(kuò)散系數(shù)，其中Al元素最為明顯;同時，摻雜提高了Ti-Al2O3界面反應(yīng)的激活能，與無摻雜試樣相比，稀土氧化物CeO2、Y2O3和金屬Nb、納米Ni摻雜的復(fù)合材料界面反應(yīng)激活能分別提高了94.2