论文部分内容阅读
本文设计并制备了原位自生Ti2AlN/TiAl复合材料。利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、差热分析（DSC）等多种手段对材料微观组织及合成机理进行了系统研究；采用三点弯曲、氧化、热压缩和摩擦磨损等实验等手段测试了材料的综合性能，并分析了相关的影响因素。原材料Ti、Al和TiN颗粒，采用热压烧结工艺，合成制备出增强相体积分数为20%和50%的Ti2AlN/TiAl复合材料。该复合材料合成过程分为四个阶段：第一阶段Al粉完全熔化（>665℃），此时在Ti颗粒表面形成TiAl3相；第二阶段Al粉参与合成反应而耗尽，Ti颗粒周围形成多层Ti-Al系化合物包围的层状结构，在TiAl3层边缘位置通过熔析反应形成了少量细小的Ti2AlN颗粒；第三阶段（11001300℃期间），高温下基体材料转变为TiAl（芯部为Ti3Al），此时的TiN颗粒与TiAl紧密接触；第四阶段（1300℃保温、保压1小时处理），TiN颗粒与TiAl完全反应得到大量Ti2AlN颗粒，基体均匀化转变成TiAl相，最终得到Ti2AlN/TiAl复合材料。Ti2AlN/TiAl复合材料的基体合金可通过热处理转变成全片层、双态和近γ相组织。其中，全片层TiAl基体组织的Ti2AlN/TiAl复合材料硬度和弹性模量随Ti2AlN颗粒体积分数增加而升高；高温（800℃）下，弯曲强度随Ti2AlN颗粒体积分数增加而先升高后降低， Ti2AlN颗粒体积分数占20%的复合材料弯曲强度最高，Ti2AlN颗粒体积分数过高对强度不利。氧化试验在800900℃空气条件下进行。900℃下，Ti2AlN/TiAl复合材料的典型氧化过程分为2个阶段：初期为相（晶）界和表面层快速氧化阶段，随后进入氧化层不断增厚的受扩散控制氧化阶段，随着氧化层厚度的增加氧化速率逐渐减缓。900℃空气条件下，氧化层自外向内分为两层，分别为TiO2层和（Al2O3+TiO2+Ti5Al3O2）混合层。热压缩试验结果表明：随温度升高，TiAl合金和Ti2AlN/TiAl复合材料的压缩强度均降低，而随着应变速率增加压缩强度升高；在高温高应变速率和低温低应变速率条件下，Ti2AlN/TiAl复合材料的强度比基体TiAl合金提高4050%。Ti2AlN/TiAl复合材料热压缩变形方式除滑移外，还有TiAl片层组织晶界滑动、片层弯曲、片层间滑动、孪晶、再结晶等。低体积分数Ti2AlN/TiAl复合材料中，位于晶界处的Ti2AlN颗粒能够阻碍TiAl晶界滑动，有利于提高材料强度；高体积分数的Ti2AlN/TiAl复合材料中，联接成三维网络结构的Ti2AlN增强体能够有效承载，明显提高了复合材料压缩强度。摩擦磨损试验结果表明：Ti2AlN/TiAl复合材料与镍基合金组成的摩擦副，室温摩擦过程主要分为两个阶段：Ⅰ阶段为非稳态摩擦阶段，镍基合金是主要磨损方，磨损类型是镍基合金附着在复合材料磨面上的粘着磨损；Ⅱ阶段为稳态摩擦阶段，镍基合金仍然是主要磨损方，磨损方式是Ti2AlN/TiAl复合材料对其产生的磨粒磨损，同时Ti2AlN/TiAl复合材料发生粘着磨损。室温下，载荷增加，摩擦系数和磨损量均升高；滑动速度加快，Ti2AlN/TiAl复合材料总磨损量增加，摩擦系数和复合材料的磨损率降低。高温下摩擦副发生氧化，镍基合金氧化产物为NiO，Ti2AlN/TiAl复合材料的氧化产物为Al2O3和TiO2。Ti2AlN/TiAl复合材料-镍基合金高温摩擦过程主要分为三个阶段：Ⅰ阶段为非稳态-摩擦系数上升阶段，镍基合金发生粘着磨损；Ⅱ阶段为非稳态-摩擦系数下降阶段，镍基合金的磨损方式从粘着磨损向磨粒磨损转变，复合材料磨损方式主要是粘着磨损；Ⅲ阶段为稳态-摩擦系数平稳阶段，镍基合金是主要磨损方，磨损类型为磨粒磨损。高温下，随着滑动速度增加，摩擦系数和复合材料磨损率均降低，复合材料的总磨损量上升；温度升高，摩擦系数和复合材料磨损量均下降。不论在室温还是高温摩擦试验中，复合材料磨损量均低于TiAl基体合金，Ti2AlN体积分数增加，复合材料的磨损量随之降低。