论文部分内容阅读
随着当代高科技的发展以及钛基复合材料应用领域的不断拓宽,对钛基复合材料的性能要求已不仅仅局限于单一高性能指标,而是要求其在复杂服役条件下,具有优良的综合性能,期望其在具备高比模、高比强、抗蠕变、尺寸稳定性和耐磨性好等一系列优异性能的同时能够兼具抗氧化、耐热性和导热优良等功能性,这就势必要通过对材料内部的不同物理化学性质的物相选择和设计、不同相种类和不同尺寸增强体之间的“取长补短”、“耦合作用”、“多效应响应”,使钛基复合材料具备结构功能一体化特征来满足科学技术对材料科学的发展提出的强烈要求。就目前而言,钛基复合材料最重要、最有潜力的应用领域还是在航空航天高温环境下作为结构材料。该服役条件下,期望钛基复合材料能够同时具备高强度、高模量、优良抗氧化性能和耐热性能等。针对这一目标,本研究中通过选择和设计恰当的反应体系,利用钛合金生产所用的真空电弧炉熔炼技术,简洁、低成本地原位合成了TiB、TiC和稀土氧化物（RE2O3）多元陶瓷颗粒增强钛基复合材料,并通过工艺控制,使得稀土氧化物主要呈纳米颗粒弥散分布于基体中。针对多元TiB、TiC和RE2O3增强钛基复合材料,主要开展了以下一些研究工作:1.利用热力学理论和原理预测了原位反应的可行性以及合金化元素对原位反应的热力学影响规律。热力学计算结果表明,本研究中所设计采用的原位合成反应在热力学上可行。同时,由于在实际应用的钛基复合材料中并非以纯钛为基体,而是存在着其它合金化元素,因此本研究中还利用Miedia模型结合Wilson方程计算了合金化元素对原位反应的热力学影响规律。计算结果为钛基复合材料的原位反应体系的设计和避免盲目性实验提供了规律性理论指导。2.根据热力学计算结果,选择设计了恰当的反应体系,通过真空电弧炉熔炼,一次性原位合成了单一增强TiC/Ti复合材料、二元混杂增强（TiB+TiC）/Ti复合材料和多元增强（TiB+TiC+RE2O3）/Ti复合材料,利用XRD分析了其相组成,利用光学金相（OM）和扫描电镜（SEM）观察了其微观组织。研究发现,在多元增强钛基复合材料中存在三种增强体:TiB晶须、TiC近等轴颗粒或树枝晶、RE2O3（Nd2O3或La2O3）球形颗粒,其中RE2O3分为粗大初生相和纳米尺寸的二次析出相。增强体在基体中的分布都十分均匀。3.分别采用纯Nd、Al2Nd和LaB6方式添加稀土,研究了稀土添加方式对多元增强钛基复合材料微结构的影响。研究发现:稀土添加量的增加会促使TiC颗粒尺寸增大和出现树枝晶,并且会导致稀土氧化物初生相的增多和尺寸增大;Al元素的引入有利于降低TiC增强体颗粒尺寸;采用纯Nd添加方式,由于其熔点低和室温化学性质活泼,易于生成粗大的稀土氧化物颗粒,对性能不利,而改用室温化学性质稳定、熔点高的稀土中间合金Al2Nd和LaB6可以有效抑制粗大稀土氧化物初生相的生成,尤其是采用LaB6可以显著降低稀土氧化物初生相的尺寸,使得稀土氧化物主要呈纳米颗粒弥散分布于基体中,有利于性能的优化。4.利用透射电镜（TEM）和高分辨电镜（HREM）研究了增强体微结构以及增强体与基体的界面结合特征,研究发现:增强体与基体的界面结合均十分清洁,不发生界面反应,无界面相存在;此外Nd2O3、La2O3与TiB与基体还存在着一定的晶体学位向关系,具体位向关系如下:5.研究了多元增强钛基复合材料的机械性能,研究结果发现:原位合成的TiB、TiC和RE2O3增强体显著提高了基体合金的弹性模量、室温和高温抗拉强度,但塑性降低。在增强体总体积分数相同的情况下,多元增强（TiB+TiC+La2O3）/Ti复合材料的室温和高温抗拉强度及塑性都要明显高于（TiB+TiC）/Ti复合材料。多元增强钛基复合材料室温强化机理主要归结于增强体的承载、基体合金晶粒的细化和纳米RE2O3颗粒的弥散强化;高温的强化机理主要归结于增强体对位错运动的阻碍以及弥散分布于基体中的纳米RE2O3颗粒对位错运动和晶界滑动的阻碍作用。多元增强钛基复合材料塑性的提高主要是由于稀土夺取了钛基体内部对塑性不利的氧元素而形成弥散分布的纳米稀土氧化物陶瓷颗粒。6.研究了（TiB+TiC+Nd2O3）/Ti多元增强钛基复合材料的高温氧化行为。研究发现:多元增强钛基复合材料在高温下的氧化动力学行为符合抛物线规律;高温氧化时Ti基体、TiB和TiC均与氧气发生氧化反应,而Nd2O3不与氧发生反应;原位合成的多元TiB、TiC和Nd2O3增强体显著提高了复合材料的抗氧化性能;与单一增强TiC/Ti复合材料相比,多元增强钛基复合材料的氧化激活能增大,氧化层厚度降低,高温抗氧化性显著提高,并且随着稀土氧化物体积分数的增多,复合材料抗氧化性增强。本研究中采用的原位合成方法可以有效避免界面污染,获得优良的界面结合,有利于获得优良的机械性能,此外该原位合成方法可以利用原有的钛合金生产设备和工艺,无需添加新的设备,只需在原料中添加反应物和对工艺参数进行一些适当的调整即可简洁地制备多元增强钛基复合材料,可以极大降低钛基复合材料生产成本,有利于今后的工业化大生成。本研究面向钛基复合材料最重要的航空航天应用领域,针对多元增强钛基复合材料这一新的研究方向进行了一些有益探索,为今后钛基复合材料的开发提供了规律性的理论指导。本研究中利用不同形状、不同尺寸的多元增强体强化钛基复合材料获得了更高的室温和高温性能,对于今后高效率、低成本制备具有更高耐热性能和优异综合性能的钛基复合材料以及开发利用我国丰富的稀土资源具有十分重要的理论意义和实用价值。