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TiC_X/Fe-Al材料的制备与性能研究

作　者: 陈新华
导　师: 翟洪祥
学　校: 北京交通大学
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 原位反应 Fe基复合材料 TiC_x Ti3AlC2 价电子理论性能
分类号: TB333
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

采用陶瓷颗粒增强的方法可以提高金属材料的刚度、比强度、耐磨损、耐冲击、抗蠕变等性能,在交通运输、核能、冶金机械等领域有着良好的应用前景。本研究通过原位反应型复合的常压制备技术和原位热挤压制备技术,成功制备出具有良好性能、可以满足一定工业应用要求的非化学计量比TiCx增强Fe基原位反应型复合材料。本论文以理论分析与实验研究相结合的研究方法,通过材料电子层次的理论设计、热力学与动力学反应机理分析、制备工艺参数影响、材料显微组织结构与宏观性能之间的强韧化规律等分析的技术路线,探讨了MAX-金属反应型复合材料的反应机理、制备工艺、显微组织结构及性能的基本规律,主要研究了如下内容：1,通过Ti3AlC2-Fe体系价电子理论和密度泛函理论研究,探讨了原位反应的本质,进而对复合材料的组分和界面等进行设计。2,研究了Ti3AlC2-Fe体系材料热力学、动力学反应机理以及高温下Ti3AlC2在Fe基体中拓扑转变行为。3,研究TiCx/Fe-Al材料的制备工艺参数、显微组织结构以及宏观性能的变化规律。以MAX相为先驱体制备非计量比MX/Fe-A体系反应型复合材料,可以克服传统陶瓷增强相所存在的界面润湿性差、增强相难以达到亚微米尺寸且分布均匀等难题,但也存在反应控制、结构调整等特色问题,需要对传统材料制备技术进行改进,从而实现所制备的复合材料具有良好的组织成分、显微结构与界面联接,使其性能能更充分发挥。本论文解决了如下主要关键问题：1,如何控制MAX相的分解,以获得TiCx增强相;2,如何实现对复合材料显微组织、结构调整问题；3,克服复合材料制备中致密化等工艺技术问题。在此基础上,揭示了材料的制备工艺、组织结构与宏观性能之间的基本规律关系,为进一步研制更高性能和更满足实际应用的非化学计量比陶瓷颗粒增强金属基复合材料提供了理论与实验依据。得到了如下主要结论：1, Ti3AlC2与Fe之间的原位反应机理,为Fe原子与A1原子之间成键能力较强,使Ti3AlC2中的Al原子析出并扩散到Fe中形成A1原子含量局域梯度变化的Fe-Al过渡层偏聚结构,而Ti3AlC2则转变成TiCx相。所制备的TiCx/Fe-Al复合材料中,最优界面为(110)Fe-A1的晶面与(100)Ticx的晶面联接。2, Ti3AlC2在Fe的环境中分解温度会降低,最终在复合材料形成反应产物为TiCx和Fe-Al,并表现出放热效应。Ti3AlC2-Fe体系的反应活化能为75.26kJ/mol。3, TiCx/Fe-Al制备的最优烧结温度为1300～1400℃,最优保温时间为30mins,原料中Ti3AIC2的含量应低于30vol.%。4, Fe-Ti3AlC2体系反应机制为原位反应-扩散-溃散-颗粒形成,反应后,所形成的TiCx颗粒厚度甚至只有50nm,且颗粒与基体界面洁净,联接较好。5,原位热挤压所制备15.61TiCx/Fe-Al样品的抗拉强度能达到666MPa,拉伸应变达到7%。在拉伸载荷的作用下,TiCx/Fe-Al材料的真应力真应变曲线可以分为四个强化阶段,并表现为非均匀变形。主要创新成果如下：1,通过价电子理论和密度泛函理论计算、材料设计、材料热力学和动力学研究,分析了Ti3AlC2与Fe之间的反应机理。2,基于上述分析和计算,制备出TiCx/Fe-Al块体材料。分析了高温条件下Ti3AlC2与Fe的反应机制,并初步得到透射电镜的证实。3,采用原位热挤压制备了TiCx/Fe-Al复合材料的抗拉强度达到666MPa,延伸率超过7%。

全文目录

致谢  4-5
中文摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-34
  1.1 课题来源  12
  1.2 背景和研究意义  12-15
  1.3 金属基复合材料的研究进展  15-27
    1.3.1 金属基复合材料制备方法  15-18
    1.3.2 传统金属基复合材料  18-22
    1.3.3 铁基复合材料的研究进展  22-27
  1.4 相关基础理论简述  27-31
  1.5 研究目标、研究内容和关键问题  31-32
    1.5.1 研究目标  31-32
    1.5.2 研究内容  32
    1.5.3 关键问题  32
  1.6 研究方法及技术路线  32-34
第二章 TiC_x/Fe-Al材料设计  34-56
  2.1 引言  34
  2.2 计算方法  34-35
  2.3 Ti_3AlC_2与Fe原位反应机理  35-45
    2.3.1 Ti_3AlC_2的价电子结构分析  35-41
    2.3.2 Fe-Al的价电子结构分析  41-44
    2.3.3 密度泛函理论分析  44-45
  2.4 TiC_x/Fe-Al材料相界面设计  45-51
    2.4.1 TiC_x相空间价电子结构计算  46-47
    2.4.2 异相界面分析  47-51
  2.5 材料组分设计  51-54
  2.6 本章小结  54-56
第三章 Ti_3AlC_2与Fe反应热力学与动力学研究  56-74
  3.1 引言  56
  3.2 Fe-Ti_3AlC_2体系反应初步分析  56-58
  3.3 热力学分析  58-66
    3.3.1 计算模型简述  60-61
    3.3.2 热力学计算  61-66
  3.4 动力学基本理论  66-68
    3.4.1 质量作用定律  66
    3.4.2 动力学速率方程的建立  66-68
    3.4.3 非等温反应速率方程与热分析研究方法  68
  3.5 实验方法  68-69
  3.6 动力学分析  69-73
  3.7 本章小结  73-74
第四章 TiC_x/Fe-Al材料的制备  74-114
  4.1 引言  74-75
  4.2 实验方法  75-82
    4.2.1 原料及其制备  75-79
    4.2.2 TiC_x/Fe-Al材料的制备方法  79-80
    4.2.3 组分及微观结构分析  80-82
  4.3 常压制备参数分析  82-96
    4.3.1 烧结温度的影响  83-89
    4.3.2 保温时间的影响  89-92
    4.3.3 不同Ti_3AlC_2组分的影响  92-96
  4.4 原位热挤压制备参数及微观结构分析  96-100
    4.4.1 初始烧结温度的影响  96-99
    4.4.2 不同原料配比的影响  99-100
  4.5 材料的界面及反应机制研究  100-111
  4.6 本章小结  111-114
第五章 TiC_x/Fe-Al材料性能研究  114-140
  5.1 引言  114
  5.2 实验方法  114-117
    5.2.1 弯曲强度的测试  114-115
    5.2.2 维氏硬度的测试  115
    5.2.3 拉伸试验  115-116
    5.2.4 压缩试验  116
    5.2.5 布氏硬度试验  116-117
  5.3 常压制备材料性能研究  117-123
    5.3.1 弯曲行为分析  117-122
    5.3.2 硬度特性  122-123
  5.4 原位热挤压制备材料性能研究  123-138
    5.4.1 弯曲行为分析  123-126
    5.4.2 压缩行为分析  126-130
    5.4.3 拉伸行为分析  130-137
    5.4.4 硬度规律  137-138
  5.5 本章小结  138-140
第六章结论  140-142
  6.1 主要结论  140
  6.2 主要创新点  140-141
  6.3 工作展望  141-142
参考文献  142-156
作者简历  156-160
学位论文数据集  160

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