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Ti_2AlN颗粒三维网络增强TiAl基复合材料的制备与性能研究

作　者: 姜德鹏
导　师: 孙东立
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 陶瓷颗粒增强相 TiAl基复合材料三维网络原位合成反应复合材料结构设计
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文采用粉末冶金与原位合成相结合的方法制备了Ti₂AlN颗粒网络增强TiAl基复合材料,探索了利用气体渗氮的方法对Ti粉进行表面成分改性,并利用这种改性后的Ti粉与Al粉经真空热压烧结在TiAl基体中合成出具有连续网络结构的Ti₂AlN陶瓷增强相。重点分析了渗氮工艺、原始粉料配比以及热压烧结工艺对所制备的复合材料组织与性能的影响。研究表明,粒径为25μm的金属Ti粉在600℃纯氮气环境内可以氮化,生成富氮相Ti₂N,随着渗氮时间的延长,Ti粉表面N浓度提高,并可形成稳定的TiN相。经过渗氮处理的Ti粉,与Al粉均匀混合后进行真空热压烧结,可以得到增强相呈连续三维网络状分布的Ti₂AlN颗粒增强TiAl基复合材料。最优渗氮工艺为600℃纯氮气氛中保温48h后空冷。在真空热压烧结中的原位合成反应过程中,消耗基体中Ti量是Al的两倍,使得复合材料基体中Al含量过剩,因此需要改变原始Ti、Al配比,经过热压烧结制备并可利用随后热处理得到不同成分和组织基体的三维网络Ti₂AlN/TiAl复合材料。实验表明通过改变原始的Ti（N）、Al粉末混料比,可以在不影响网络陶瓷增强相形成的条件下,调控TiAl基体的成分及组织状态。调节混料时Ti（N）、Al的比例,可以分别得到富Al的TiAl2相、单相TiAl、双态、近片层、全片层TiAl系组织。三点弯曲试验结果表明,该网络增强复合材料在室温下弯曲强度较低,不足300MPa;而在高温下具有较高的强度,800℃下弯曲强度最高,达到了678MPa,至1000℃强度仍高于400MPa;弯曲断口分析表明,在温度较低时断裂面穿过TiAl基体颗粒,增强体其对裂纹的延展有阻碍作用,但随着温度的升高,晶界及基体与增强体界面结合强度下降,断裂多呈沿晶特征。压缩试验中可以得到网络增强Ti₂AlN/TiAl复合材料的压缩强度随着温度的提高逐渐降低,在室温（25℃）或800℃阶段试样沿剪切应力最大方向发生脆断,强度与TiAl合金及同体积分数颗粒增强Ti₂AlN/TiAl复合材料相比均有提高;而在高温压缩（900℃、1000℃）过程中基体材料发生软化使得压缩形变可以进行,其强度较TiAl合金最多可提高35%,而与同体积分数颗粒增强Ti₂AlN/TiAl复合材料几乎持平,压缩组织分析表明,此时增强体网络状分布破坏,退化为颗粒增强;网络增强Ti₂AlN/TiAl复合材料的基体为近片层组织时的压缩强度在800℃以上均高于以γ-TiAl为基体的,在900℃强化的幅度较800℃时有明显的提高,在更高的温度下,强化的幅度只是略有下降。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-23
  1.1 引言  10-12
  1.2 复合材料结构设计  12-14
    1.2.1 层状复合陶瓷  12-13
    1.2.2 三维纺织复合材料  13-14
  1.3 陶瓷增强TiAl基复合材料的制备及性能  14-17
  1.4 TiAl合金的断裂抗性与变形机制  17-21
  1.5 本文研究内容  21-23
第2章材料及试验方法  23-26
  2.1 试验材料  23
  2.2 热处理工艺  23
  2.3 密度与致密度测试  23-24
  2.4 热压缩试验  24
  2.5 显微组织分析  24-25
  2.6 XRD相分析  25-26
第3章 Ti粉渗氮工艺对Ti2AlN3d/TiAl复合材料制备及组织的影响  26-43
  3.1 引言  26-27
  3.2 复合材料的制备工艺  27-28
    3.2.1 渗氮工艺  27
    3.2.2 混粉工艺  27-28
    3.2.3 真空热压烧结  28
  3.3 渗氮工艺对Ti粉改性过程的影响  28-33
    3.3.1 渗氮温度对钛粉改性过程的影响  29-31
    3.3.2 渗氮时间对钛粉改性过程的影响  31-32
    3.3.3 石墨保护空气气氛渗氮  32-33
  3.4 Ti粉渗氮时间对Ti2AlN3d/TiAl复合材料组织的影响  33-42
    3.4.1 XRD物相分析  33-35
    3.4.2 显微组织分析  35-38
    3.4.3 区域成分分析  38-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章 Ti、Al粉配比及热处理对Ti2AlN3d/TiAl复合材料组织的影响  43-54
  4.1 引言  43-44
  4.2 XRD物相分析  44-45
  4.3 显微组织及成分分析  45-51
  4.4 热处理对Ti2AlN3d/TiAl复合材料组织的影响  51-52
  4.5 本章小结  52-54
第5章 Ti2AlN3d/TiAl复合材料的力学性能  54-68
  5.1 引言  54
  5.2 Ti2AlN3d/γ-TiAl基复合材料三点弯曲性能测试  54-56
    5.2.1 复合材料室温及高温弯曲强度  54-56
    5.2.2 复合材料高温断口分析  56
  5.3 网络增强Ti2AlN/TiAl复合材料室温及高温压缩性能  56-66
    5.3.1 真应力—真应变曲线  56-59
    5.3.2 温度对压缩强度的影响  59-60
    5.3.3 增强体分布对压缩强度的影响  60-62
    5.3.4 TiAl基体成分与组织对压缩强度的影响  62-63
    5.3.5 复合材料压缩组织分析  63-66
  5.4 本章小结  66-68
结论  68-70
参考文献  70-76
致谢  76

Ti_2AlN颗粒三维网络增强TiAl基复合材料的制备与性能研究

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