金属间化合物Al3Ti合金的强韧化机理研究

摘要

随着航空航天、装甲防护、高速运输等高新技术领域对材料轻量化的不断需求，Ti-Al系金属间化合物由于兼具低密度、高比强度、高比模量等优点越来越受到人们的关注，具有广阔的应用前景。在Ti-Al系金属间化合物中，Al3Ti合金由于具有最低的密度(3.36g/cm3)、最高的弹性模量(216GPa)、较高的熔点(1360℃)以及优异的高温抗氧化能力等优点，是最具潜力的轻质高强材料。但是，由于其稳定的四方D022型晶体结构，在室温下滑移系严重缺失，展现出了很强的室温脆性特征，严重限制了其工程应用。因此，为改善Al3Ti合金的室温脆性问题，提升其室温塑性变形能力并研究强韧化作用机理，本论文基于金属基复合材料的设计思想，首先使用金属箔冶金真空热压烧结技术制备了塑性Al相强韧化Al3Ti合金的复合材料Al/Al3Ti。此外，为进一步同时提升Al3Ti合金的室温压缩和室温拉伸塑性变形能力，并研究NiTi纤维对Al3Ti合金的强韧化效果和作用机理，使用金属箔冶金真空热压烧结技术制备了连续形状记忆合金NiTi纤维强韧化(Continuous Shape Memory Alloy NiTi Fiber Reinforced，简称为CSMAR)Al3Ti合金的复合材料CSMAR/Al3Ti。在塑性Al相强韧化和连续NiTi纤维强韧化的基础上，对已制备的两种复合材料进行了多种后处理研究，并最终提出了多种Al3Ti合金的强韧化思路。通过对材料进行系统的微结构表征和力学性能测试，综合评价了多种强韧化方法的作用效果，并系统地研究了各自的强韧化作用机理，为进一步推动Al3Ti合金在轻量化结构材料领域的应用以及其它体系脆性金属间化合物的强韧化研究提供了一定的科学参考价值。
　　在Al/Al3Ti复合材料中，由于合适体积分数塑性Al相的引入(6.4vol％)，6.4％Al/Al3Ti复合材料可将Al3Ti合金单一的本征脆性断裂模式演变为韧性断裂和脆性断裂的混合断裂模式，压缩失效样品出现了明显的45°剪切断裂特征。力学测试结果表明，6.4％Al/Al3Ti复合材料可有效提升Al3Ti合金的室温压缩塑性变形能力，应力-应变曲线体现出了明显的塑性变形行为，但是由于Al3Ti合金较强的本征脆性特征，塑性Al相的加入并未明显改善其室温拉伸塑性变形能力。热处理研究表明，由于合适的Al3Ti晶粒尺寸以及α-Al2O3相的析出强化作用，750℃、空冷热处理后样品的压缩应力-应变曲线体现出了更为显著的屈服行为以及屈服后较长的塑性变形阶段，具有十分明显的塑性变形特征，表明热处理可进一步提升Al3Ti合金的室温塑性变形能力。
　　高能脉冲电流处理（Electropulsing Treatment，简称为EPT）独有的热效应和非热效应的同步耦合作用机制可有效促进Al/Al3Ti复合材料中Al3Ti基体内部原子扩散、提升位错移动能力并产生大量可移动位错，从而优化Al3Ti基体的显微组织、增强Al3Ti晶粒的<100>和<112>晶体取向、提升其孪生变形能力。与未处理的Al/Al3Ti复合材料相比，450Hz高能脉冲电流处理后样品的压缩应力-应变曲线体现出了更为明显的塑性变形行为，整体应变量得到显著提升，并且在同样处理条件下，高能脉冲电流处理样品的塑性变形能力明显优于传统热处理样品。因此，在塑性Al相强韧化的基础上，EPT的电致塑性效应可进一步提升Al3Ti合金的室温塑性变形能力。
　　CSMAR/Al3Ti复合材料包括NiTi纤维、Al3Ti层、共晶区、界面反应层和少量Al相。共晶区由金属间化合物Al3Ni和Al3Ti构成，其中Al3Ni相为随机取向分布，而Al3Ti相体现出了显著的<001>晶体取向特征并具有明显的纤维织构。由于CSMAR/Al3Ti复合材料中的晶粒尺寸从共晶区向界面反应层逐步减小的梯度分布特征，拉伸过程中的裂纹扩展可以被逐步钝化、偏转，使Al3Ti合金的室温拉伸性能得以显著提升。
　　TEM实验结果表明，CSMAR/Al3Ti复合材料中的界面反应层是一层由多种Ti-Al系和Ni-Al系金属间化合物组成的多相混杂结构，并且界面反应层中相的种类从靠近界面一侧到靠近共晶区一侧逐渐减少。TEM和HRTEM实验结果表明，在NiTi纤维和界面反应层之间存在一层由Ti原子和Ni原子通过原子置换效应而新形成的并具有一定程度晶格畸变和刃位错结构的连续Ti2Ni层。此外，CSMAR/Al3Ti复合材料各微观界面理想的冶金结合以及独特的界面多相金属间化合物混杂结构特征可引起变形过程中的应力传输、降低局部应力集中、提升局部变形能力。力学性能测试结果表明，CSMAR/Al3Ti复合材料的这种界面微结构特点有助于同时提升Al3Ti合金的室温压缩和室温拉伸塑性变形能力。
　　退火处理研究表明，Al3Ti合金的多相金属间化合物混杂强韧化结构可由已制备的CSMAR/Al3Ti复合材料经固态扩散相变获得。由于其独特的相梯度分布以及多层结构特征，强度由共晶区一侧向界面处逐步递增，裂纹扩展从共晶区到新形成的金属间化合物层可以被逐步钝化、偏转，并且新形成的多相金属间化合物层可有效起到应力传输、降低局部应力集中的作用，有助于提升局部变形能力。力学性能测试结果表明，在连续NiTi纤维强韧化的基础上，多相金属间化合物混杂结构可进一步提升Al3Ti合金的室温塑性变形能力。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1金属间化合物概述

1．1．1 Ti-Al系金属间化合物

1．1．2 Ni-Al系金属间化合物

1．1．3 Fe-Al系金属间化合物

1．2 Ti-Al系金属间化合物研究现状

1．2．1 Ti3Al合金

1．2．2 TiAl合金

1．2．3 Al3Ti合金

1．3 Al3Ti合金应用现状

1．3．1复合材料增强体

1．3．2复合材料基体

1．3．3复合材料薄膜

1．4 Al3Ti合金强韧化研究现状

1．4．1合金化强韧化

1．4．2复合化强韧化

1．5本论文的研究意义及主要研究内容

1．5．1本论文的研究意义

1．5．2本论文的主要研究内容

第2章实验方案及研究方法

2．1研究技术路线

2．2原材料选择及复合材料制备

2．2．1原材料选择

2．2．2原材料预处理

2．2．3复合材料制备

2．3复合材料后期处理

2．3．1传统热处理

2．3．2高能脉冲电流处理

2．4材料微结构表征

2．4．1金相观察

2．4．2 X射线衍射分析

2．4．3宏观织构分析

2．4．4扫描电子显微观察

2．4．5电子背散射衍射分析

2．4．6透射电子显微观察

2．5材料性能测试

2．5．1硬度试验

2．5．2纳米压入试验

2．5．3压缩性能试验

2．5．4拉伸性能试验

2．5．5电化学性能试验

2．5．6差热分析试验

第3章塑性Al相强韧化Al3Ti合金(Al／Al3Ti)的研究

3．1．1反应温度的影响

3．1．2制备压力的影响

3．1．3原始箔材厚度的影响

3．1．4 Al／Al3Ti复合材料制备工艺

3．2．2 Al／Al3Ti复合材料显微组织及织构分析

3．2．3 Al／Al3Ti复合材料相组成

3．2．4金属间化合物Al3Ti0．8V0．2相的析出强化作用

3．2．5 Al／Al3Ti复合材料力学性能

3．2．6塑性Al相对Al3Ti合金的的强韧化作用机理

3．3热处理对Al／Al3Ti复合材料微结构与力学性能的影响

3．3．2热处理对Al／Al3Ti复合材料显微组织的影响

3．3．3热处理对Al／Al3Ti复合材料相组成的影响

3．3．4热处理对Al／Al3Ti复合材料力学性能的影响及强韧化作用机理

3．3．5侵蚀坑的形成机理及其在热处理过程中的演变机制

3．4小结

第4章电致塑性效应对Al／Al3Ti复合材料的影响

4．1电致塑性效应介绍

4．2 Al／Al3Ti复合材料的高能脉冲电流处理工艺

4．3电致塑性效应对Al／Al3Ti复合材料微结构的影响

4．3．1电致塑性效应对Al／Al3Ti复合材料显微组织的影响

4．3．2电致塑性效应对Al／Al3Ti复合材料相组成的影响

4．4电致塑性效应对Al／Al3Ti复合材料力学性能和断裂行为的影响

4．4．1电致塑性效应对Al／Al3Ti复合材料力学性能的影响

4．4．2电致塑性效应对AI／Al3Ti复合材料断裂行为的影响

4．5电致塑性效应对Al／Al3Ti复合材料裂纹愈合的影响

4．6．1对微结构演变的作用机理

4．6．2对力学性能变化的作用机理

4．6．3对裂纹愈合的作用机理

4．7小结

第5章连续NiTi纤维强韧化Al3Ti合金(CSMAR／Al3Ti)的研究

5．1．1 CSMAR／Al3Ti复合材料制备参数优化

5．1．2 CSMAR／Al3Ti复合材料制备工艺

5．2 CSMAR／Al3Ti复合材料微结构表征

5．2．1 CSMAR／Al3Ti复合材料显微组织

5．2．2 CSMAR／Al3Ti复合材料相组成

5．2．3 CSMAR／Al3Ti复合材料的共晶区EBSD表征

5．3共晶区的生成相预测

5．4 CSMAR／Al3Ti复合材料力学性能

5．4．2 CSMAR／Al3Ti复合材料拉伸性能

5．5连续NiTi纤维对Al3Ti合金的强韧化作用机理

5．6小结

第6章CSMAR／Al3Ti复合材料界面微结构表征及界面强韧化机理研究

6．1 TEM样品制备

6．2 CSMAR／Al3Ti复合材料的界面微结构表征

6．2．1 NiTi纤维和Ti2Ni层界面微结构表征

6．2．2界面反应层微结构表征

6．2．3界面处共晶区微结构表征

6．3 CSMAR／Al3Ti复合材料的界面扩散反应机制

6．4 CSMAR／Al3Ti复合材料的界面强韧化机理与启发

6．5小结

第7章退火处理对CSMAR／Al3Ti复合材料的影响

7．1．2 CSMAR／Al3Ti复合材料退火处理工艺

7．2材料微结构表征

7．2．2退火态CSMAR／Al3Ti复合材料微结构表征

7．3多相金属间化合物混杂结构形成机理

7．4退火态CSMAR／Al3Ti复合材料力学性能

7．4．1退火态CSMAR／Al3Ti复合材料压缩性能

7．4．2退火态CSMAR／Al3Ti复合材料拉伸性能

7．5多相金属间化合物混杂结构对Al3Ti合金的强韧化作用机理

7．6本论文中Al3Ti合金强韧化机理研究的评价及展望

7．7小结

结论

创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢