Ti-Si-C复合材料设计制备与表征

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本文以Ti、Si、C、Mo粉末为原材料,通过化学热力学和第一性原理计算,设计了反应路径,机械合金化制备了MoSi2和Ti、Si、C粉末,反应烧结制备出Ti-Si-C系复合材料,以Ti3SiC2为基体相,MoSi2和TiC为增强相。借助扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDAX)等分析手段,考察了机械合金化粉末以及Ti-Si-C系复合材料的显微组织和相组成,并对其力学性能进行了研究。  热力学计算的结果表明了反应烧结生成Ti3SiC2的可行性,并指出了TiC作为反应副产物的存在是难免的。第一性原理计算表明,化学稳定性依次为:Mo3Si、TiC和MoSi2,反应烧结过程中不会导致MoSi2的分解。  MoSi2的机械合金化制备工艺为GN2行星式机械球磨机中,球料比为30:1,球磨机转速为400r/min,球磨时间48h。  Ti-Si-C系复合材料制备的最佳工艺为:机械合金化制备的MoSi2(球料比30:1,球磨机转速为400r/min,球磨时间48h)和Ti、Si、C混合粉末(球料比10:1,球磨机转速为300r/min,球磨时间24h)以10%MoSi2/Ti3SiC2的体积比混合均匀后,在1500oC保温半个小时,压力为25MPa进行热压烧结。  Ti-Si-C系复合材料的抗弯强度和断裂韧性较纯Ti3SiC2均有较大提升,其中,抗弯强度的提高比较明显,提升幅度为36.8%,而断裂韧性提高约9%。  分析显微结构发现,Ti-Si-C系复合材料主要是细小的纳米级等轴状颗粒MoSi2和TiC均匀的分散在片状Ti3SiC2之间,并且机械合金化的效果细化了晶粒。增强相的存在导致了裂纹钉扎、偏转、桥接、分叉等效应,是材料断裂韧性提高的原因。材料的强化机制主要是弥散强化和细晶强化。
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