放电等离子烧结Ni3Al及其复合材料的高温压缩与抗氧化性能

摘要

本文采用机械合金化和放电等离子烧结（Spark plasma sintering,简写为SPS）制备Ni3Al及20vol.％(TiB2+TiC)/Ni3Al复合材料，其中TiB2与TiC的体积比为1:1。利用扫描电镜，透射电镜，X射线衍射和差热扫描分析仪等方法研究了混合粉末在机械合金化过程中的组织演变规律以及经SPS后复合材料的微观结构；分析了烧结温度对复合材料的力学性能的影响规律以及复合材料中的强化机制；研究了复合材料的高温压缩变形的变形机制；分析了Ni3Al的高温抗氧化机制以及陶瓷颗粒对其抗氧化性能的影响机制。
　　扫描电镜，差热分析和X射线衍射分析结果表明：Ni-Al系粉末在球磨过程中，Al逐渐固溶进Ni基材料的晶格中并最终形成纳米级的Ni(Al)固溶体。Ni-Al-Ti-B-C系粉末在球磨30小时后，元素在粉末之中达到了均匀分布，形成了Ni的固溶体和Ti的固溶体。
　　对粉末的SPS的研究结果表明：球磨后粉末的SPS烧结可分为三个连续的过程。火花放电和等离子体作用主要在烧结初期和中期起作用。烧结后期主要为热场和压力场下粉末的塑性蠕变的过程。SPS烧结后的复合材料中的物相为TiB2、TiC和Ni3Al，并具有很高的致密度。制备出的Ni3Al及其复合材料组织非常细小，增强体在基体中的分布均匀，增强相与基体之间的界面干净无反应物，说明增强相与基体结合良好。陶瓷颗粒的存在能够有效的阻碍位错以及晶界运动从而提高了复合材料的硬度和弯曲强度。
　　复合材料高温压缩的研究结果表明：由于具有细小的组织结构，Ni3Al及其复合材料变形过程中“R”效应不明显，Ni3Al及其复合材料的强度随变形温度的升高而降低。在较低的变形温度下，Ni3Al及其复合材料的强度得到了显著的改善。在相同的变形温度下，随烧结温度的升高，复合材料的强度增强。不同烧结温度下制备的复合材料之间流变应力的差值也随变形温度的升高而逐渐减小。
　　复合材料高温抗氧化性能的研究结果表明：Ni3Al烧结体中细小的晶粒和高的界面密度为Al2O3的形成提供了数目众多的形核点；细小的晶粒有利于Al的选择性氧化而形成Al2O3；同时细小的晶粒尺寸有利于松弛氧化膜中的应力，起到了提高氧化膜与基体之间的结合力的作用。
　　TiB2与TiC的引入使复合材料的表面形成了以TiO2为主的氧化层，同时破坏了氧化层中Al2O3膜的连续性。CO2和B2O3的形成增加了氧化层中的孔洞，使得氧化膜变得疏松，因而降低了复合材料的抗氧化性能。烧结温度对复合材料的抗氧化性能有显著的影响。900oC烧结的复合材料由于孔隙度较高加速了材料的内、外氧化，因此具有较差的抗氧化性能。除此外，复合材料的抗氧化性能随烧结温度的升高而降低。
　　首次发现了低温稳定相TiO2(B)在复合材料氧化过程中形成。这主要归功于氧化生成的TiO2(B)具有较小的尺寸和较低的表面能。

目录

放电等离子烧结Ni3Al及其复合材料的高温压缩与抗氧化性能

HIGH TEMPERATURE COMPRESSIONAND OXIDATION PROPERTIES OF Ni3Al AND ITS COMPOSITES FABRICATED BYSPARK PLASMA SINTERING

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 选题意义

1.2 Ni3Al及其复合材料的研究现状

1.2.1 Ni3Al的研究概况

1.2.2 Ni3Al基复合材料的研究概况

1.3 Ni3Al复合材料的主要制备方法

1.3.1 压铸法

1.3.2 反应熔铸法

1.3.3 反应烧结和反应热等静压法

1.3.4 反应熔渗法

1.3.5 自蔓延高温合成法

1.3.6 喷射成形法

1.3.7 扩散结合法

1.3.8 热压和热等静压法

1.3.9 机械合金化

1.3.10 放电等离子烧结

1.4 Ni3Al及其复合材料的性能

1.4.1 Ni3Al及其复合材料的超塑性

1.4.2 Ni3Al及其复合材料压缩性能

1.4.3 Ni3Al及其复合材料的抗氧化性能

1.5 本文研究的主要内容

第2章 试验材料与试验方法

2.1 试验材料

2.2 材料的制备

2.2.1 机械合金化

2.2.2 放电等离子烧结

2.3 材料性能测试方法

2.3.1 致密度的测试

2.3.2 硬度的测试

2.3.3 室温三点弯曲强度

2.3.4 断裂韧性

2.3.5 压缩试验

2.3.6 抗氧化性能测试

2.3.7 差热分析

2.4 微观组织分析

2.4.1 扫描电镜组织观察

2.4.2 透射电镜组织观察

第3章 复合粉末的机械合金化制备工艺

3.1 引言

3.2 Ni-Al系粉末的机械合金化

3.2.1 Ni-Al系粉末形貌的变化

3.2.2 Ni-Al系粉末组成的变化

3.2.3 Ni-Al系粉末的热分析

3.3 IC系粉末的机械合金化

3.3.1 IC系粉末形貌的变化

3.3.2 IC系粉末组成的变化

3.3.3 IC系粉末的热分析

3.3.4 分析与讨论

3.4 本章小结

第4章 Ni3Al及其复合材料的组织性能

4.1 引言

4.2 Ni3Al及其复合材料的SPS烧结

4.2.1 烧结制度

4.2.2 烧结致密化

4.2.3 烧结体的物相与晶粒

4.2.4 烧结机理

4.3 烧结体的组织结构

4.4 力学性能

4.4.1 弯曲性能

4.4.2 断裂韧性

4.4.3 硬度

4.5 强化机制

4.5.1 细晶强化

4.5.2 第二相强化

4.5.3 应力强化

4.6 本章小结

第5章 Ni3Al及其复合材料的高温压缩性能

5.1 引言

5.2 复合材料压缩应力-应变分析

5.2.1 温度对复合材料压缩变形的影响

5.2.2 应变速率对复合材料压缩变形的影响

5.2.3 烧结温度对复合材料压缩变形的影响

5.2.4 压缩变形常数求解

5.2.5 韧脆转变温度

5.3 复合材料高温压缩变形后的微观组织

5.4 本章小结

第6章 Ni3Al及其复合材料的抗氧化性能

6.1 引言

6.2 氧化动力学曲线

6.2.1 恒温氧化动力学曲线

6.2.2 循环氧化动力学曲线

6.3 氧化产物及其表面形貌

6.3.1 Ni3Al表面氧化膜

6.3.2 (TiB2+TiC)/Ni3Al表面氧化膜

6.4 氧化层的组成

6.4.1 Ni3Al的氧化层组成

6.4.2 (TiB2+TiC)/Ni3Al的氧化层组成

6.5 Ni3Al高温氧化机理

6.5.1 热力学分析

6.5.2 氧化动力学分析

6.6 (TiB2+TiC)Ni3Al高温氧化机理

6.6.1 氧化热力学

6.6.2 TiO2(B)的稳定性

6.6.3 陶瓷颗粒对材料氧化性能的影响

6.6.4 烧结温度的影响

6.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致 谢

个人简历