SPS原位TiB增强Ti基复合材料的组织结构与TiB生长机制

摘要

本文采用机械合金化和放电等离子烧结(SPS)快速制备了原位反应自生TiB增强Ti-4.0Fe-7.3Mo基复合材料。通过与热压(HP)烧结制备的同种复合材料比较，研究了不同B源(TiB2和B)、烧结温度和成分对复合材料的力学性能、微观组织结构以及原位生成TiB形貌的影响规律和特点，阐明了SPS制备该体系复合材料的强化机制，依据试验分析结果，提出了TiB层错形成的理论模型、并阐明了TiB原位反应的生成机制。　　微观组织结构分析表明，800～1200℃/20MPa/5min/SPS烧结时，TiB2和B均能与Ti完全反应原位生成TiB，且SPS烧结生成TiB的尺寸明显大于热压(HP)烧结生成的针状TiB；原位反应生成的TiB的直径和长径比随SPS烧结温度的提高而增大，随TiB设计含量的提高其直径和长径比降低。TiB/(Ti-4.0Fe-7.3Mo)复合材料的基体由α-Ti和β-Ti两相组成，提高烧结温度β-Ti相的含量增加。　　TEM和HREM观察表明原位反应生成的TiB晶须的长轴为[010]方向，横截面呈六边形，由(100)、(101)和(101)三个晶面所组成。TiB(100)面的界面平直，而(101)和(10(-1)的界面存在微小台阶。　　在实验观察和理论分析的基础上，提出了层错形成的理论模型，并为HREM观察所验证。原位反应生成的TiB含有大量的层错，层错面为(100)TiB，位移矢量为0.5a±0.254c，且层错沿[001]方向贯穿整个TiB晶粒；具有两种不同位移矢量的层错能够在同一TiB晶粒中共存，并通过不同形式的连续或交替组合形成复杂的层错结构。　　层错结构分析和TiB/Ti界面的HREM研究结果表明，TiB的生长过程是通过(100)面的堆垛和(100)面沿[010]TiB与[001]TiB方向长大实现的。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1引言

1.2 TMCs的增强相与基体

1.2.1基体的选择

1.2.2原位生成颗粒增强相的选择

1.3原位合成增强相的显微组织与界面

1.3.1原位反应的热力学研究

1.3.2原位生成的增强体与基体的界面结合

1.3.3原位生成颗粒增强TMCs的性能

1.4 TMCs的主要制备方法

1.4.1自蔓延高温合成法

1.4.2放热弥散法

1.4.3燃烧合成-熔铸法

1.4.4快速凝固法

1.4.5机械合金化与高能球磨

1.5放电等离子烧结

1.5.1 SPS系统的结构

1.5.2放电等离子烧结机理

1.5.3放电等离子烧结的应用

1.6本文的研究目的、意义及主要研究内容

1.6.1研究目的和意义

1.6.2主要研究内容

第2章材料制备与研究方法

2.1试验用原材料

2.2复合材料成分设计与制备工艺

2.3材料性能测试方法

2.3.1致密度

2.3.2室温三点弯曲强度

2.3.3断裂韧性

2.4材料组织结构分析方法

2.4.1 XRD物相分析

2.4.2差热分析

2.4.3组织结构的SEM、TEM和HREM观察

2.4.4电子背散射衍射

第3章复合粉末的球磨处理工艺

3.1转速与球直径对复合颗粒显微组织的影响

3.2球磨时间与不同B源的影响

3.3过程控制剂

3.4复合粉末的形貌

3.5原位反应的可行性

3.6本章小结

第4章SPS与HP制备10vol.％TiB增强Ti基复合材料的组织结构与性能

4.1 XRD物相分析

4.2微观组织结构分析

4.2.1 TiB的SEM形貌

4.2.2 TEM微观组织结构

4.3致密度与力学性能

4.3.1致密度

4.3.2力学性能

4.4本章小结

第5章SPS制备以TiB2为B源的TiB增强Ti基复合材料的组织结构

5.1 XRD物相分析

5.1.1SPS烧结温度的影响

5.1.2 TiB体积分数的影响

5.2原位TiB的SEM形貌

5.2.1不同烧结温度的SEM形貌

5.2.2不同体积分数TiB的SEM形貌

5.3 TEM微观组织结构

5.3.1微观组织结构

5.3.2原位TiB的结构表征

5.3.3 TiB/Ti界面的HREM观察

5.4电子背散射衍射分析

5.5本章小结

第6章SPS制备以B为B源的TiB增强Ti基复合材料的组织结构

6.1 XRD物相分析

6.2原位TiB的SEM形貌

6.2.1 SPS烧结温度的影响

6.2.2不同体积分数TiB的SEM形貌

6.3 TEM微观组织结构

6.3.1烧结温度的影响

6.3.2原位生成TiB的TEM表征

6.4 TiB/Ti界面的HREM观察

6.5本章小结

第7章SPS制备TiB增强Ti基复合材料的性能

7.1烧结温度对致密度与性能的影响

7.1.1致密度

7.1.2室温三点弯曲强度

7.1.3弹性模量

7.1.4断裂韧性

7.1.5复合材料的断口形貌

7.1.6致密度与β-Ti相含量对性能的影响

7.2 TiB含量对致密度与性能的影响

7.2.1致密度

7.2.2室温三点弯曲强度

7.2.3弹性模量

7.2.4断裂韧性

7.3 TiB/(Ti-4.0Fe-7.3Mo)复合材料的强化机制

7.4 TiB弹性模量的计算

7.5本章小结

第8章原位反应生成TiB的生长机制

8.1 TiB的结构与层错

8.1.1 TiB层错的形成

8.1.2层错的HREM观察

8.2 TiB的生长机制

8.3 TiB的形核机制

8.4本章小结

结 论

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明及哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历