SiC颗粒增强钛-铝系层状复合材料的制备、结构及力学性能

摘要

Ti-Al系金属间化合物基层状复合材料具有密度低、比强度高、比熔点高、弹性模量高以及优异的抗氧化性和耐腐蚀性等性能，在航空航天、舰船、现代武器装备等高技术领域有着巨大的应用前景。然而Ti/Al3Ti层状复合材料具有独特的叠层结构，其中韧性Ti只是改善了Al3Ti的塑性，但是未曾从本质上提高Al3Ti的强度。由于碳化硅颗粒具有低密度、低膨胀、高导热、高弹性模量、高硬度、高刚度并且各向同性等优异性能可应用于金属间化合物基层状复合材料中，以此进一步提高金属间化合物基层状复合材料Ti/Al3Ti的强度水平，发挥出SiC颗粒优异的性能。
　　本研究以SiC颗粒、Al粉和Ti箔为原材料，依次采用球磨法、粉末冶金技术、热轧工艺和真空热压烧结等技术制备出SiCp-Ti/Al3Ti层状复合材料。在层状复合材料基体Al3Ti中引入SiC颗粒，大幅提升Ti/Al3Ti层状复合材料的强度并改善其塑性。对比引入SiC颗粒制备层状复合材料的不同方式，并控制制备工艺参数获得SiCp-Ti/Al3Ti层状复合材料的最优工艺。采用扫描电子显微镜（ SEM）、能谱仪（ EDS）等测试手段对SiCp-Ti/Al3Ti层状复合材料的微观结构进行表征，分析层状复合材料中SiC颗粒和Al、Al和Al3Ti之间界面的结合情况；采用X射线衍射仪（XRD）对层状复合材料的物相进行标定。结果表明：在基体Al3Ti中形成了一层由残余Al包覆SiC颗粒的中间层，其中SiC颗粒与残余Al的界面结合良好且无缺陷及孔洞；通过EDS线扫面分析界面处有3μm左右的扩散层，XRD确定物相组成为Ti、Al3Ti、SiC、Al和微量Al2O3。
　　本文采用阿基米德原理、显微硬度测试以及超声波法确定SiCp-Ti/Al3Ti层状复合材料的密度、硬度和弹性模量等物理性能指标。并采用万能拉伸试验机和Hopkinson压杆对材料的力学性能进行测试，分析材料断裂机理。结果表明：加入SiC颗粒后大幅提高了Ti/Al3Ti层状复合材料的力学性能，其抗压强度显著高于Ti/Al3Ti层状复合材料，且塑性也得到了改善。随着残余Al体积分数的降低，SiCp-Ti/Al3Ti的抗压强度提高，断裂应变降低。SiCp-Ti/Al3Ti层状复合材料的抗压强度随着应变率的增加而提高，但是断裂应变随之降低。准静态拉伸测试结果表明SiCp-Ti/Al3Ti的抗拉强度为446MPa，断裂应变为4.3％。根据断口形貌表明不同受力状态（压应力和拉应力）不影响 SiCp-Ti/Al3Ti层状复合材料的断裂方式，结果表现出不同层具有不同断裂方式，Ti层呈现韧窝形貌属于韧性断裂；Al3Ti层由于脆性相Al3Ti表现为沿晶和穿晶混合断裂；SiCp/Al层主要发生残余Al的韧性断裂和SiC颗粒与残余Al之间界面开裂，有少部分发生SiC颗粒自身脆性断裂。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及目的意义

1.2 Ti-Al系金属间化合物

1.3 层状复合材料研究现状

1.4 颗粒增强金属基复合材料研究现状

1.5 本文主要工作和研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验仪器

2.3 直接法制备SiC颗粒增强Ti-Al系层状复合材料

2.4 球磨法制备SiC颗粒增强Ti-Al系层状复合材料

2.5 实验仪器及测试方法

2.6 本章小结

第3章 SiC颗粒增强Ti-Al系层状复合材料制备工艺优化

3.1 引言

3.2 直接法制备SiCp-Ti/Al3Ti层状复合材料

3.3 球磨法制备SiCp-Ti/Al3Ti层状复合材料

3.4 直接法和球磨法对比

3.5 SiCp-Ti/Al3Ti层状复合材料反应扩散过程分析

3.6 本章小结

第4章 SiC颗粒增强Ti-Al系层状复合材料性能

4.1 引言

4.2 SiCp-Ti/Al3Ti层状复合材料的物理性能

4.3 SiCp-Ti/Al3Ti层状复合材料准静态压缩性能

4.4 SiCp-Ti/Al3Ti层状复合材料动态压缩性能

4.5 SiCp-Ti/Al3Ti层状复合材料压缩断口分析

4.6 准静态下SiCp-Ti/Al3Ti与Ti/Al3Ti拉伸应力-应变行为

4.7 SiCp-Ti/Al3Ti层状复合材料拉伸断口分析

4.8 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢