激光熔注制备ZrO2p/Ti-6Al-4V热障功能复合材料层的组织性能研究

摘要

随着高马赫数飞行器的发展，气动加热引起的结构件表面温升越来越严重，对结构件表面进行热防护是提高飞行器性能的重要技术途径。传统热防护结构一般只具备单一防热功能，增重较大且与基体结合强度低，无法承受载荷。通过在金属内部引入合适的第二相陶瓷介质，利用金属-陶瓷界面热阻，能降低复合材料层的热导率，从而获得理想的隔热性能；陶瓷颗粒与金属之间是冶金结合，能显著增强涂层承载能力。这种基于界面热阻效应的颗粒增强金属基复合热障结构，能够将“防热”与“承载”两大功能结合，具有重要的理论和实际意义。
　　本文在钛合金金属基体表面直接激光熔注ZrO2陶瓷粉末，制备多尺度颗粒增强复合材料层，探索一种“防热+承载”结构功能一体化的热障结构及其制备工艺。在激光熔注工艺特性分析的基础上，研究复合材料层的物相组成、微观组织及形成机制，分析复合材料层中金属-陶瓷的热传导行为，测试了其热导率并与模型预测值进行比对。
　　通过系统工艺实验，获得了激光熔注制备ZrO2p/Ti-6Al-4V复合材料层最优的工艺窗口。研究了工艺参数对颗粒分布，体积分数的影响规律，发现光粉相对位置是影响复合材料层质量的关键因素，在离光斑中心1.8～2.0mm处注入能获得高体积分数，无裂纹，气孔等缺陷的单道复合材料层。
　　通过XRD和SEM、TEM电子显微研究确定了复合材料层的物相组成，分析了其微观组织特征，发现固相ZrO2颗粒在Ti熔池中的离散行为以及快速冷却条件下液态熔池的不平衡结晶行为是导致不同区域组织形貌差别巨大的主要原因。分析了多尺度颗粒增强复合材料层形成机制，探索了超细颗粒增强热障功能复合材料层的可行性。
　　在Ti-ZrO2界面传热行为分析的基础上，通过激光闪射法测试了复合材料层的热导率，测试试样最低热导率为3.4W/mK，接近ZrO2块体的热导率。热障功能复合材料层的隔热机理可描述为：由于ZrO2低的热导率以及与基体之间存在的界面热阻，热传导时颗粒与周围基体难以迅速达到热平衡，两者温度梯度较大。在传热温压的驱动下，存在着周围基体指向颗粒的热流分量，热流在深度方向传递受到阻碍，导致复合材料层有效热导率降低。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 论文的主要研究内容

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备与工艺

2.3 组织结构分析方法

2.4 性能分析

3 激光熔注ZrO2p/Ti-6Al-4V复合材料层工艺研究

3.1 引言

3.2 激光熔注工艺过程

3.3 激光熔注工艺探索

3.4 工艺难点分析与工艺优化

3.5 大面积复合材料层的制备

3.6 本章小结

4 多尺度颗粒增强复合材料层微观组织及形成机制

4..1 引言

4..2 Ti-ZrO2体系热力学描述

4..3 物相组成

4.4. 微观组织特征

4.5 多尺度颗粒增强复合材料层形成机制

4.6 本章小结

5 复合材料层TEM分析与导热性能研究

5.1 引言

5.2 纳米晶物相形貌特征

5.3 纳米晶物相精确鉴定

5.4 球状纳米颗粒形成机制

5.5 导热性能分析

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 课题展望

致谢

参考文献