TiC/CNTs强化NiAl基复合材料的制备、微观组织与性能

摘要

随着国家科学技术的发展和经济结构的转型，在众多领域迫切需求综合性能优异的结构材料替代传统材料。NiAl金属间化合物具有高熔点、低密度、高热导率、高温抗氧化性能优异等一系列特点，是一种很有潜力的高温结构材料，目前已成为人们研究和使用的热点。但是，NiAl金属间化合物断裂韧性差、抗压强度低的缺点导致其难以实现实际应用。因此，探究提高NiAl金属间化合物强韧性的途径、方法具有重要的现实意义。本文以Ni-Al-Ti-C为体系，通过自蔓延高温合成(SHS)和真空熔炼工艺制备NiAl基复合材料，并添加石墨(G)和碳纳米管(CNTs)作为不同的碳源，分析复合材料的物相组成、微观结构及成分分布，并探讨TiC的形成机制及其与CNTs的协同强化作用，主要结果如下。
　　(1)以Ni粉、Al粉、Ti粉为原料，碳纳米管(CNTs)作为碳源，采用自蔓延高温合成方法制备NiAl基复合材料。结果表明：以CNTs作为碳源，合成产物为NiAl、TiC及少量未反应的CNTs，在CNTs周围，Ti+CNTs反应生成尺寸细小的TiC颗粒或TiC薄层， Ti+CNTs含量增加时，TiC颗粒充分长大，呈现八面体或立方体形态，随着Ti+CNTs的加入，NiAl晶粒得到显著细化，原位合成的TiC颗粒增强了复合材料的显微硬度和抗压强度，CNTs纤维通过裂纹桥联、纤维拔出等机制强化材料的断裂韧性，CNTs-TiC的复合强化对材料起到增强增韧作用。
　　(2)以Ni粉、Al粉、Ti粉为原料，石墨(G)作为碳源，采用自蔓延高温合成方法制备NiAl基复合材料，实验结果证实：合成产物主要为NiAl和TiC及少量未反应的G， G作为碳源与Ti原子结合生成TiC颗粒，TiC颗粒尺寸在0.5~2.5μm之间，一部分在原石墨位置处发生聚集，一部分弥散分布在NiAl基体中，细化NiAl晶粒，显著增强了材料的显微硬度和抗压强度。
　　(3)以Ni、Al、碳纳米管(CNTs)为原料，采用真空熔炼工艺制备NiAl-xCNTs复合材料(x=0,1,2 and3 wt%)。结果表明：真空熔炼Ni-Al-CNTs合成产物的物相包括NiAl和CNTs，没有其他Ni-Al中间相的生成；随着CNTs加入量增多，NiAl晶粒的尺寸从150~160μm逐渐减小为80~100μm，显著细化了NiAl晶粒；CNTs作为强化相细化基体组织，阻碍裂纹扩展，提高复合材料的硬度和抗压强度，同时，CNTs作为增强纤维通过裂纹桥联、纤维拔出等机制，使材料的断裂韧性从6.57 MPa·m1/2增加到7.86 MPa·m1/2，在磨损过程中通过有效传递应力、阻碍裂纹的扩展，减轻了材料的磨损，优化复合材料的综合力学性能。

目录

声明

1 绪论

1.1 NiAl金属间化合物

1.2 TiC强化复合材料

1.3 CNTs强化复合材料

1.4 课题目的意义及主要研究内容

2 实验条件及方法

2.1 实验原料

2.2 实验设备

2.3 实验方案及步骤

2.4 分析检测及性能表征

3 碳纳米管的预处理

4 自蔓延高温合成NiAl基复合材料

4.1 Ti+CNTs强化NiAl基复合材料的微观组织与性能

4.2 Ti+G强化NiAl基复合材料的微观组织与性能

4.3 本章小结

5 真空熔炼合成NiAl基复合材料

5.1 物相分析

5.2 组织与形貌分析

5.3 性能分析

5.4 反应过程及机理讨论

5.5 本章小结

6 结论

参考文献

附录

致谢