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SiC_f/Ti复合材料的制备及性能研究

作　者: 马兴华
导　师: 刘志光
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: SiC纤维增强钛基复合材料 界面反应与界面强度 力学性能 浆料带铸造
分类号: TB333
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


SiC纤维增强钛基复合材料集SiC纤维的高强度、高刚性和高抗蠕变性与钛合金及钛铝化合物的损伤容限性于一体。另外,将SiC纤维引入到钛基体中可以进一步降低材料的密度。因此,这种在常温及高温下都能承受极大机械载荷的轻质材料无疑将引起发动机设计和机械工程等高科技领域的巨大革命。本文利用国产无涂层SiC纤维、TiN涂层SiC纤维与Ti-6Al-4V箔材,采用箔-纤维-箔法制备了SiCf/Ti-6Al-4V和SiCf/TiN/Ti-6Al-4V复合材料。使用扫描电镜、能谱仪观察分析了复合材料的微观组织及界面反应。结果显示,制备态的SiCf/Ti-6Al-4V存在厚度约0.5μm的界面反应层,而SiCf/TiN/Ti-6Al-4V无明显的界面层,说明TiN起到了很好的障碍涂层的作用。对两种复合材料进行960℃/9h/25h真空热处理,二者的界面反应皆随时间的延长而逐渐剧烈,而TiN涂层却对界面反应起到了促进作用。研究了两种复合材料的界面强度,结果表明,纤维无涂层时的界面强度更高,达205MPa;SiCf/TiN/Ti-6Al-4V的界面强度为146MPa。另外,复合材料边缘的界面强度低于中心部位。对SiCf/Ti-6Al-4V复合材料的拉伸强度进行了测试,其强度较原始Ti-6Al-4V箔材强度稍有提高,但是幅度不大。主要原因是,纤维与基体反应生成的脆性物质,使复合材料在界面处发生了脆性断裂,特别是界面反应对纤维造成的表面损伤等缺陷,造成其强度严重下降,而在复合材料中纤维是起到承载载荷作用的。探索研究了浆料带铸造法制备SiCf/Ti复合材料,纤维与基体复合很好,界面上无“眼角”等缺陷存在;只是由于压制条件造成了基体内部存在一些微小的孔隙,这可以通过改变参数来改善。综合分析,该方法是一种很有前景的低成本制备工艺。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-23
  1.1 课题背景  10-11
  1.2 金属基复合材料的发展  11-14
    1.2.1 金属基复合材料的分类  11-12
    1.2.2 金属基复合材料的界面类型及结合  12-14
    1.2.3 金属基复合材料的应用及前景  14
  1.3 SiC纤维增强钛基复合材料的发展现状  14-19
    1.3.1 SiC 纤维——增强体  14-17
    1.3.2 Ti 及 Ti 合金——基体  17
    1.3.3 TMCs的主要制备工艺  17-19
  1.4 TMCs的界面问题研究  19-21
    1.4.1 TMCs的界面反应  19-20
    1.4.2 TMCs的界面结合强度  20-21
    1.4.3 TMCs的界面相关要素的研究意义  21
  1.5 本课题的研究意义与研究内容  21-23
第2章 实验材料及实验方法  23-29
  2.1 引言  23
  2.2 实验材料  23-24
  2.3 实验方法  24-29
    2.3.1 SiC纤维表面涂层试验  24-25
    2.3.2 真空热压实验  25
    2.3.3 热处理实验  25-26
    2.3.4 显微组织分析  26
    2.3.5 拉伸性能实验  26-27
    2.3.6 纤维顶出实验  27-28
    2.3.7 球磨实验  28-29
第3章 SiC_f/Ti 复合材料工艺研究  29-35
  3.1 引言  29
  3.2 纤维及基体的表面处理  29-31
    3.2.1 SiC纤维表面处理  29-30
    3.2.2 基体Ti-6Al-4V合金箔的表面处理  30-31
  3.3 FFF法制备SiC_f/Ti-6Al-4V复合材料工艺流程  31-32
    3.3.1 FFF法的具体操作流程  31
    3.3.2 本实验中FFF法工艺参数的确定  31-32
  3.4 浆料带铸造法制备SiC_f/Ti复合材料工艺流程  32-33
    3.4.1 浆料带铸造法工艺流程  33
  3.5 本章小结  33-35
第4章 SiC_f/Ti-6Al-4V复合材料微观组织及性能分析  35-55
  4.1 引言  35
  4.2 SiC_f/Ti-6Al-4V复合材料形貌及制备缺陷  35-37
    4.2.1 SiC_f/Ti-6Al-4V复合材料形貌  35-36
    4.2.2 SiC_f/Ti-6Al-4V复合材料的制备缺陷  36-37
  4.3 界面反应研究  37-43
    4.3.1 界面反应研究的理论依据  38-39
    4.3.2 SiC_f/Ti-6Al-4V复合材料界面反应对比研究  39-43
  4.4 界面残余热应力  43
  4.5 SiC_f/Ti-6Al-4V的界面强度  43-48
    4.5.1 影响界面强度的因素  44
    4.5.2 界面强度测试及结果分析  44-48
  4.6 复合材料的力学性能  48-53
    4.6.1 基体的拉伸性能  48-49
    4.6.2 SiC_f/Ti-6Al-4V复合材料的拉伸性能  49
    4.6.3 SiC_f/Ti-6Al-4V复合材料断口形貌及特征分析  49-50
    4.6.4 拉伸性能影响因素分析  50-53
  4.7 本章小结  53-55
第5章 浆料带铸造法制备SiC_f/Ti复合材料  55-60
  5.1 引言  55
  5.2 复合材料的微观组织形貌及界面反应分析  55-57
    5.2.1 微观组织分析  55-56
    5.2.2 界面反应研究  56-57
  5.3 力学性能研究  57-58
    5.3.1 SiC_f/Ti复合材料的拉伸强度  57-58
    5.3.2 SiC_f/Ti复合材料的拉伸断口分析  58
  5.4 本章小结  58-60
结论  60-61
参考文献  61-66
致谢  66

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 金属－非金属复合材料
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