SiC纤维增强Ti基复合材料界面反应热力学与微观组织研究

摘要

作为下一代航空发动机的关键材料，SiCf/Ti基复合材料受到极大的关注。但由于Ti的化学活性大，在复合材料的SiC-Ti界面处存在着严重的界面化学反应。然后到目前为止，对SiCf/Ti基复合材料的界面反应的研究特别是理论研究很不深入，特别是没有从热力学上研究过Ti基体中的各种合金元素的添加对界面反应的影响规律。 基于多元合金体系热力学活度理论，并结合Miedema二元合金生成热模型和Kohler三元几何模型，本文建立了二元和三元固相合金体系组元的活度系数的预测和计算模型，并对模型进行了验证。该模型的优点是仅仅依靠合金元素本身的物理参数即可计算中该合金体系中各组元的活度系数。 应用上述模型和合金元素本身的物理参数预测了Ti基体中添加的各种不同合金元素对SiCf/Ti基复合材料中主要界面反应的影响规律。结果表明，Al、Sn、Ni、Fe、Cu、Mn、Cr、Mo和V等元素的加入，都能降低Ti元素的活度，其中Al的作用最显著；而Nb元素的加入，反而能增加Ti元素的活度。可以得出以下结论：Al元素的添加最能抑止界面反应的发生，其它元素对界面反应的抑止作用从高到低依次是Ni，Fe，Cu，Mn，Cr，Mo和V；在某些体系，如Ti-Al-Nb中，Nb元素的加入到Ti基体反而会加剧SiCf/Ti复合材料界面反应。 同时，本文通过使用扫描电镜、透射电镜和X射线等分析手段，对美国SCS-6 SiC纤维和国产SiC纤维增强Ti-6Al-4V基复合材料的微观组织特别是界面反应进行了系统的对比性研究。首先利用SEM对制备过程中出现的纤维搭接、基体空洞及纤维损伤等制备缺陷进行了分析。接着借助X射线能谱仪(EDS)着重对比两种不同纤维增强的复合材料在相同热处理条件下的界面微观结构和反应层中各主要元素,如C，Si，Ti，Al和V的分布情况，探索了界面组织的演变规律。借助透射电镜和X射线衍射分析，发现了SiCf/Ti基复合材料的界面产物主要是TiC和Ti5Si3。最后对两种不同纤维增强的复合材料在不同热处理条件下的界面反应产物的厚度进行了测量，对不同温度下(800℃，925℃)下，反应层的扩散速率进行了计算，并根据反应动力学，计算出了两种不同复合材料的生长激活能Q和速率常数k0。