Ti3AlC2及Ti3AlC2/Ti-Al基复合材料的制备与性能研究
The Preparation and Mechanical Properties of Ti3AlC2 and Ti3AlC2/Ti-Al Composites
随着我国航天、航空事业的发展,高温结构材料将不断迎来新的挑战.Ti-Al金属间化合物综合了 Ti和A1的特点,表现出密度低、耐高温、比强度高、比模量高、热膨胀系数低,在轻质耐高温材料领域有非常广泛的发展空间,特别是在航空航天飞机的发动机、涡轮叶片、飞行器壳体、汽车发动机等方面极具应用潜力.但是Ti-Al金属间化合物目前存在的最大问题是其室温塑性差、抗高温氧化性能不好、不宜加工等,这极大的限制了它的应用.对Ti-Al金属间化合物采用复合技术、设计Ti-Al基复合材料,是一种非常有效的材料改进方法.MAX相兼具陶瓷和金属的优点,是一种非常理想的Ti-Al基复合材料的增强相.本实验设计、研究了不同工艺制备的MAX/Ti-Al基复合材料,基本结论如下:(1)对Ti-Al-TiC体系在不同温度下进行高温热压烧结,于1350℃成功制备了高纯Ti3AlC2;并在1100℃和1200℃得到了 TiC/Ti3AlC2复合材料.研究发现烧结过程中,首先形成TiA13相;接着TiA13相与TiC相和Ti反应,形成Ti2AlC相;最后Ti2AlC与TiC反应形成Ti3AlC2相.实验制备的高纯Ti3AlC2试样的密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为 4.40 g/cm3、6.74 GPa、340 MPa 和 5.92 MPa·m1/2;在 1100℃ 烧结后制备的TiC/Ti3AlC2复合材料的密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为4.35 g/cm3、4.72 GPa、566 MPa和6.18 MPa·m1/2,说明TiC/Ti3AlC2复合材料的综合性能较高纯Ti3AlC2有较大提升.(2)对Ti-Al-Ti3AlC2体系在900℃低温烧结,成功制备Ti3AlC2-Ti2AlC/TiAl基复合材料.随着原材料中Ti3AlC2含量的增加,复合材料中Ti2AlC增强相的含量相应有所增加;复合材料的密度越来越低,断口形貌中存在大量穿晶断裂和层状撕裂现象;其维氏硬度和抗弯强度降低,当原材料中Ti3AlC2含量为5 wt.%时,其密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性可分别达到3.54g/cm3、2.69GPa、310.68MPa和7.07MPa.m1/2.(3)对TixAly-Ti3AlC2体系在1150℃高温热压烧结,制备出Ti2AlC/TiAl基复合材料.当原材料中Ti3AlC2添加量为5wt.%时,复合材料的性能最佳:密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性值可分别达到3.86g/cm3、2.57GPa、921.79MPa和7.18MPa·m1/2.Ti2AlC相的存在使复合材料的晶粒得到细化,复合材料断裂时存在大量的穿晶断裂、裂纹偏折、裂纹分叉、桥联等现象,提高了材料的性能.(4)对Ti-Al-TiC-碳纳米管(CNTs)体系在1250℃高温热压烧结,成功制备了Ti2AlC/TiAl基复合材料.当Ti2AlC相的含量为30wt.%时,Ti2AlC/TiAl复合材料的综合性能最优,其密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性可分别达到3.80 g/cm3、3.92 GPa、408.42 MPa和5.41 MPa·m1/2.Ti2AlC/TiAl复合材料结构致密,增强相呈网状分布在基体材料中,断裂特征复杂:有层状撕裂、颗粒拔出、裂纹分叉、裂纹偏转、沿晶断裂、穿晶断裂和桥联等,可有效地阻碍了裂纹的扩展,提高了材料的性能.
- 作者：
- 阮苗苗
- 学位授予单位：
- 陕西理工学院
- 专业名称：
- 材料加工工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 冯小明
- 中图分类号：
- TB333
- 关键词：
- MAX相；Ti-Al金属间化合物；微观结构；力学性能
- MAX Phase; Ti-Al intermetallic compound; Microstructure; mechanical properties;