TiC颗粒增强Cu基复合材料的制备及其组织控制研究

摘要

本文以石墨粉、海绵钛和纯铜为原料，采用熔体反应法在Cu熔体中原位合成TiC颗粒，结合传统的铸造工艺制备TiC颗粒增强Cu基复合材料。通过差示扫描量热仪（DSC）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）以及高分辨透射电子显微镜（HRTEM）等手段对其物相和微观组织结构进行分析。该方法制备的复合材料中TiC呈现出正多面体、类球形多面体和球形颗粒态，尺寸在0.5–5μm之间，绝大部分TiC颗粒弥散在基体中，且复合材料界面结合良好。通过分析钛与石墨粉在铜熔体中反应的热力学过程并结合复合材料微观组织分析，揭示了TiC在Cu–Ti熔体中的反应合成机理：熔体中的Ti原子与加入的石墨颗粒接触并触发反应，合成的TiC在石墨片上形核并长大，部分TiC扩散到熔体中并在凝固后的TiC/Cu复合材料基体中弥散分布，部分TiC合并长大或团聚成聚集团。 通过减小原始材料中C/Ti的比例，在Cu熔体中成功合成了非化学计量比的TiCx，非化学计量比的TiCx在Cu熔体中具有更好的润湿性，这也使复合材料中TiC颗粒的分布更加均匀。但非化学计量比TiCx结构中的碳空位影响了它的稳定性，当在有Si元素存在的Cu熔体中，低含碳量的非化学计量比TiCx会在Si元素的促使作用下向着具有更高化学计量比的TiCy（y>x）发生转变，并且在这个过程中会有副产物的形成，其演变的副产物主要取决于熔体中 Si的含量。当添加质量分数为1%的Si元素时，只形成纤维状的Ti5Si3物相；当添加质量分数为4%的Si元素时，除了Ti5Si3还出现了CuTiSi物相；当添加质量分数为7%的Si元素时，Ti5Si3完全消失只存在CuTiSi物相。分析认为添加的Si元素影响了TiCx与Cu熔体中的可溶性Ti平衡，导致TiCx向着结构中碳空位浓度更小的更稳定的TiCy转变。 在对初步合成的TiC颗粒增强Cu基复合材料硬度和导电性能的测试与分析中，发现残留在基体中的Ti原子严重影响了复合材料的导电性能。利用B元素可以与Cu熔体中的Ti原子反应合成TiB2的机理，向Cu–4Ti–1C复合材料中添加质量分数为0.6%的B元素，凭借TiB2良好的热力学稳定性可以使反应后Cu熔体中残留Ti和B的含量大幅降低，使复合材料的导电率由40.312% IACS提升到68.365％IACS；且新合成TiB2颗粒使复合材料的硬度由152 HV提升到179 HV。复合材料中的TiC颗粒的分布也在添加B元素后变得均匀，与新合成的TiB2相间分布在Cu基体中，且复合材料中大块的TiC颗粒团聚物消失。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 Cu基复合材料的发展现状

1.2.1 纤维增强Cu基复合材料

1.2.2 晶须增强Cu基复合材料

1.2.3 颗粒增强Cu基复合材料

1.3 TiC性质简介及其在Cu基复合材料中的应用

1.4.1 粉末冶金法

1.4.2 机械合金化

1.4.3 自蔓延高温合成法

1.4.4 接触反应法

1.5.1 研究内容

1.5.2 技术路线

1.5.3 研究意义

第2章 试验方法与分析手段

2.1 试验用原材料

2.2 试验方法

2.2.1 Cu-Ti-C体系的热力学分析

2.2.2 熔体反应法制备TiC颗粒增强Cu基复合材料

2.2.3 在Cu-Ti-C系统中Si元素对TiCx稳定性的影响

2.2.4 B元素对TiC/Cu复合材料的影响

2.3.1 试样的制备

2.3.2 X射线衍射

2.3.3 扫描电子显微镜

2.3.4 透射电子显微镜

2.3.5 中子散射

2.4.1 硬度测试

2.4.2 导电性能测试

第3章 TiC颗粒在Cu熔体中原位合成及其机理研究

3.1 引言

3.2 TiC在Cu-Ti-C体系中合成的热力学分析

3.3 TiC/Cu复合材料的制备及组织分析

3.4 TiC在Cu熔体中合成机理的研究

3.5 原料中C/Ti比对合成TiCx的影响

3.6 本章小结

第4章 TiCx在Cu-Si熔体中的稳定性及其演变过程

4.1 引言

4.2 Si元素对近化学计量比TiC0.9的影响

4.4 Si元素对非化学计量比TiC0.6的影响

4.4 本章小结

第5章 B元素对TiC/Cu复合材料的影响

5.1 引言

5.2 B元素对TiC/Cu复合材料硬度和导电性能的影响

5.3 B元素对TiC/Cu复合材料微观组织的影响

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢