TiAl金属间化合物网络结构增强镁铝基复合材料研究

摘要

镁合金以其密度小，比强度高，减振，易于压铸成型和切削加工性能好等优点，在汽车、航空航天业中得到广泛应用。但因其高温力学性能差，长期工作温度不能超过1200C，无法用于制造高温环境下使用的零部件，严重限制了其应用范围。在金属基体中添加第二强化相，成为提高镁合金高温性能的有利措施。以密度低，比模量、比强度高，熔点高为优势的TiAl<,3>金属间化合物(IM)成为镁合金高温强化的首选。在TiAl<,3>-IM网络结构增强Mg-AI基复合材料(IPMMCs)中，增强相与基体相互相交叉，相互贯穿，相互缠结和盘绕，赋予了复合材料特殊的性能。利用IM网络结构改善镁合金力学性能是一个新的思路和尝试。本文拟通过制备互连通复合材料达到以下研究目的：探讨Ll<,2>-TiAl<,3>结构变化特点，探讨脆性改善机理，丰富强韧化理论；研究TiAl<,3>空间网络拓扑结构工艺特点，揭示IM的多孔结构成型特点；研究复合材料的真空负压浸渗行为，对制备过程中的工艺参数进行试验探讨，以确定最佳工艺条件。分析界面微观结构及拓扑形貌，界面相组成，界面区合金元素的分布，探讨互联通复合材料断裂及裂纹扩展阻力行为。本文利用真空压力浸渗法制备了IPMMCs复合材料，主要研究内容如下： 首先，通过机械合金化和退火处理制备了TiAl<,3>-IM超细粉体，研究了TiAl<,3>的晶体结构，指出其固有脆性本质。通过添加Cr元素，实现四方Do<,22>结构向立方Ll<,2>结构的转变，获得足够多的独立滑移系，使Ll<,2>-TiAl<,3>变异合金脆性得到明显改善。并通过添加稀土元素，改善TiAl<,3>IM结构和晶粒度，从而改善Ll<,2>-TiAl<,3>的室温脆性。本文利用XRD衍射仪(D8 ADVANCE)分析了球磨过程中的结构演变，利用激光粒度仪(LS13 320，BECKMAN COULTER，USA)测定了粉末样品的粒度。利用TG209-C型差热分析仪对粉末进行了DSC分析。利用日立S-2500型扫描电镜(SEM)进行了金相组织观察与分析，用其附带的能谱仪(EDS，OXFOED INCA)验证和分析了化学成分。采用透射电镜(TEM，JEOL JEM2010型)分析了退火后晶体的粒度和微观组织结构，确定TiAl<,3>金属间化合物的晶格特征，验证Cr-TiAl<,3>-IM的Do<,22>-Ll<,2>结构转变。利用HXD-1000显微硬度仪测试不同球磨时间和退火后粉末的显微硬度。采用压痕裂纹法(DCM)测定材料的断裂韧性。 其次，利用有机前驱体烧蚀技术制备了具有高气孔率(70～95﹪)、大比表面积、小热膨胀系数、高化学稳定性和尺寸稳定性，耐高温、耐化学腐蚀及良好的强度和过滤吸附性能的‘TiAl<,3>金属间化合物网络结构，研究了这种多孔网络结构的拓扑结构及力学性能特点。认为IPMMCs网络结构是由十四面体在空间延伸而形成的三维结构，仍然遵循Euler定律、Aboav-Weaire定律和Levis准则，其形状各向异性率为R<,12>=1.2，R<,13>=1.0。许多因素如孔隙率、烧结温度、孔的几何特征和拓扑结构、孔筋内裂纹、孔洞的非均匀性及组成孔筋的颗粒尺寸决定NS的抗压强度和断裂韧性。利用桥接机理和裂纹钝化行为理论探讨断裂韧性的改善机理，通过消除孔筋内裂纹、减少孔筋内孔隙率及提高烧结温度来提高抗压强度和提高断裂韧性。利用阿基米德法测试网络结构相对密度，利用气泡法测试网络结构孔径。利用SEM观察与分析了金相组织和孔状形貌特征，用其附带的能谱仪(EDS，OXFOED INCA)验证和分析了化学成分。利用Instron5569型电子万能材料试验机测定了抗压强度和断裂韧性。再次，采用真空负压浸渗技术制备IPMMCs。根据热力学原理考察了增强相与基体的化学相容性，预测出可能的界面化学反应。研究IPMMCs材料界面区的微观结构及拓扑形貌，界面相组成，界面区合金元素的分布。研究了基体合金元素和工艺参数对界面区组织与组分的影响。研究界面两侧相的化学相容性及Mg元素对界面反应产物的贡献。认为，整个浸渗过程分为三个时期，孵化期、快速浸渗期和平稳期。TiAl<,3>lM与Al合金的润湿性特别好，润湿角几乎等于零，与Mg合金的润湿角大大小于90°。温度是影响润湿性的主要因素，随浸渗温度的上升，润湿角逐渐减少，800℃时润湿角小于90°，900℃时润湿角约为55°(5﹪Al)，当温度等于1000℃时润湿角约为30°。研究了IPMMCs的力学性能指标。认为IPMMCs复合材料增强体的体积分数明显影响弯曲强度和断裂韧性。当增强相体积分数为6﹪，IPMMCs展现了高的弯曲强度(276 MPa)。当体积分数大于6﹪时，随其不断增加，弯曲强度开始下降。而断裂韧性在增强相体积分数为6﹪时为25.5 MPam<'1/2>，其后，随体积分数的增加，断裂韧性直线下降。IPMMCs表现出两种不同的断裂机制：局部韧性断裂失效机制和裂纹扩展断裂失效机制。随增强相体积分数的增加，有限的韧性引起裂纹失稳，裂纹扩展断裂失效机制起主导作用。IPMMCs复合材料强化机制是Omwan的位错移动机理。界面的反应产物MgAl<,2>O<,4>粒子成为位错移动的阻碍，位错线切不过去时，会形成位错环，从而使强度提高。 另外，研究了IPMMCs摩擦磨损行为，建立了互联通复合材料的摩擦磨损模型。考虑网络结构增强体特殊的拓扑结构因素和弹性模量影响，利用复合材料磨损率最小化和最大化假设，建立网络结构增强复合材料的数学磨损模型。指出该模型不同于Khruschov模型和Zum-Gahr模型，其关系不遵循线性规则。该模型与增强体复合材料的磨损试验数据相拟合，能够较好地反映网络结构增强复合材料的磨损性能，具有一定普遍性。基体合金的摩擦形貌可见明显宽而深的犁沟，犁沟之间是高的隆起。IPMMCs复合材料磨损表面的划痕和犁沟变的又浅又窄，犁沟之间的隆起量少，可见因裂纹脱落而产生的磨屑。IPMMCs复合材料存在磨粒磨损和粘着磨损循环交替的混合磨损机制。实验采用干摩擦的形式，利用自制简易摩擦试验机，对不同载荷下磨损量进行了统计和分析。最后，探讨IPMMCs的切削加工性，研究切削参数、刀具磨损、表面粗糙度和切削力的变化关系。硬而脆的IPMMCs网络结构的TiAl<,3>IM增强相使IPMMCs复合材料韧性明显下降，热膨胀系数减少，切削时塑性变形减小，切屑短小，切屑与前刀面摩擦距离短，排屑容易。但切削力和摩擦力大，刀具后刀面磨损严重，由于网络结构对热量传递的阻隔，使导热系数大大下降，切削热传递阻滞，切削温度升高，刀具磨损量大。采用不同刀具切削IPMMCs及其基体合金，切削温度有很大差别，从而影响刀具的使用寿命，且随着网络结构增强相比例的增加，刀具后刀面最大磨损值VB<,max>亦相应增大，25TiAl<,3>IM/AZ91复合材料对刀具的磨损量最大。在几种刀具材料中，45钢刀具磨损量最大，K10道具次之，PCD刀具磨损量最小。PVD刀具硬度高，抗弯强度较好，价格低廉，是切削IPMMCs复合材料最理想的刀具材料之一。复合材料的增强相与基体相相互贯穿、相互交叉，使切削过程中刀具受力不均，切削力变化幅度大，产生的冲击力大，机床震动剧烈，切削质量差。切削过程中，随着切削速度的增大、进给量的减小，表面粗糙度值也将减小，切削深度对表面粗糙度的影响不大。当切削速度v>300 rrgmin时，Ra反而有上升的趋势，进给量大，刀具受力大，复合材料中硬度分布不均匀现象在一定程度上加剧了振动，导致切削力波动起伏较大，对表面粗糙度产生一定影响。增强体体积分数大的复合材料其平均切削力、切削力峰值和切削力波动幅度都迅速增大，观察切削后的刀具状态，可发现这是因已发生严重的径向和后刀面磨损而引起。增强体体积分数小的复合材料其平均切削力、切削力峰值和切削力波动幅度增长较小。当增强相体积分数大时，增强相颗粒在切削变形区受刀刃挤压而拔出、破碎、脱落的几率比较大，而硬相颗粒一方面参与切削，一方面对前后刀面的刮擦耕犁，造成刀具磨粒磨损。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1选题背景和意义

1.2网络结构增强体的制备方法及其研究进展

1.3 TiAl3金属间化合物结构及强韧化研究进展

1.3.1晶体结构和断裂机理

1.3.2 TiAl3力学性能

1.3.3 TiAl3强韧化探索

1.3.4 TiAl3制备方法

1.4金属基复合材料浸渗行为研究进展

1.4.1润湿机理

1.4.2无压浸渗（自浸渗）机理

1.4.3外力浸渗机理

1.4.4温度对浸渗行为的影响

1.4.5时间对浸渗行为的影响

1.4.6浸渗行为的动力学模型

1.4.7界面对浸渗行为的影响

1.5 IPMMCs的关键技术及工艺路线

1.6本文研究目的及主要研究内容

1.6.1本文研究目的

1.6.2本文主要研究内容

参考文献

第二章 机械合金化法制备L12-TiAl3金属间化合物

2.1引言

2.2试验过程

2.3结果与讨论

2.3.1 MA过程中粉体形貌

2.3.2 Ll2-TiAl3结构演变

2.3.3 Ll2-TiAl3粒度分析

2.3.4 Ll2-TiAl3晶体形成理论

2.3.5 Ll2-TiAl3的显微硬度

2.3.6La对Ll2-TiAl3合金微观结构影响

2.3.7热压烧结Ll2-TiAl3合金块体微观结构和力学性能

2.4本章小结

参考文献

第三章 TiAl3金属间化合物网络结构增强体研究

3.1引言

3.2试验过程

3.3结果与讨论

3.3.1 NS拓扑结构特性

3.3.2 NS形貌特征

3.3.3 NS抗压强度和断裂韧性

3.4本章小结

本章附录

参考文献

第四章 IPMMCs的负压浸渗法制备及微观结构

4.1引言

4.2试验过程

4.3结果与讨论

4.3.1负压浸渗技术

4.3.2 IPMMCs微观结构

4.3.3 IPMMCs界面特征

4.4本章小结

参考文献

第五章 网络结构增强金属基复合材料力学性能

5.1引言

5.2实验过程

5.3结果与讨论

5.3.1弯曲强度与断裂韧性

5.3.2抗拉强度

5.3.3 IPMMCs摩擦学性能

5.4本章小结

参考文献

第六章 网络结构增强金属基复合材料切削加工性能

6.1引言

6.2试验过程

6.3结果与讨论

6.3.1 TiAl3IM/Mg-Al-Zn复合材料切削用刀具

6.3.2切削质量影响因素

6.3.3切削力特征

6.3.4切削机理及切削表面形貌

6.4本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

致辞

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