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TiC基Fe-Al、Ni-Al金属间化合物复合材料的自发熔渗制备和结构性能研究

高明霞

  本文在概述了复合材料基本原理的基础上,阐述了陶瓷基复合材料和陶瓷基金属间化合物复合材料所具有的优越性能和潜在的发展应用前景,全面介绍了陶瓷基金属间化合物复合材料的制备方法、组织结构和机械性能等方面的国内外研究进展。陶瓷基金属间化合物复合材料预期能结合陶瓷和金属间化合物各自的优点,平衡两者性能而倍受注目。自发熔化渗透法被认为是一种经济有效的制备陶瓷基金属间化合物复合材料的方法,已被研究用于制备碳化物基的Fe40Al、Ni_3Al的复合物。但这方面的研究还是很初步的,为达到工程应用还需要更进一步的广泛深入的工作。本文系统地研究了采用自发熔渗法制备以TiC颗粒相为基体,以Fe40Al、Fe28Al、Ni_3Al、NiAl及TiAl(CrNb)为粘结相的复合材料。研究了金属间化合物与多孔TiC预制件的浸润性、渗透性能和滲透动力学。通过改变熔渗模式,优化制备工艺和参数,改进TiC预制件的成形工艺和控制其相对密度等措施获得了致密无缺陷的复合物。对各体系复合物作了室温强度、硬度、韧性、杨氏模量的测试分析,并对材料在高温应用中重要的性能指标—高温蠕变性能作了开创性研究。采用SEM、TEM、XRD、EDS和大型金相显微镜等测试分析手段,对复合物的组织结构、断裂方式及蠕变失效方式等进行观察分析,探讨了复合物熔渗过程中组织的演化形成、组织和性能的关系、复合物的强化机制及蠕变机理等。试验了以熔渗法制备复合陶瓷相(TiC-TiN-WC)为基体的金属间化合物复合材料,着重探讨了Fe40Al/(TiC-TiN-WC)复合物组织中具有“芯—边”复杂结构的Ti(CN)/(Ti,W)(CN)陶瓷颗粒的形成机理。研究结果表明,液相Fe40Al、Fe28Al、Ni_3Al和NiAl与多孔TiC预制件有很好的浸润性,能充分渗透相对密度高达70—90%的预制件,形成致密的复合物组织。TiC和金属间化合物在熔渗过程中保持各自的化学稳定性,初始TiC相和金属间化合物相是复合物中的仅有组成相。但TiAl合金与TiC间存在严重反应,未能充分渗入预制件孔隙形成致密的组织。Fe40Al和Fe28Al可在TiC预制件中渗入数倍于其孔隙体积的量,显示出特有的膨胀渗透效应,而Ni_3Al和NiAl只能渗入与预制件孔隙体积基本相同的量。浙江大.全卫1卫乙送一生二色止生一一一一一Fe40AI熔体在TIC预制件中的渗透深度和渗透时间呈抛物线关系,渗透深度随渗透温度的提高而增大。在1450oC的渗透温度下,渗透深度(气)与预制件的相对密度(d;)和渗透时间(t)的关系为:h‘=(94·5一103·Zd,)+(11.9一7.3);)t’‘’或h,一A,一尽d:一(94·5+1 1.9t,,2)一(103.2+7.3t,‘,)J;本文渗透深度抛物线系数的试验值(11.9一7.3dr)比以Washbum定律理论估算的值要大,比以Darcy定律理论估算的值要小,但在数值上为同一数量级。A,/尽值可用于表征高温溶解反应型渗透体系的渗透能力及浸润性。渗透刚开始时,A,/尽<l,系统渗透能力差,随着时间的延长,A,/B‘>并不断增加,系统的渗透能力不断增强,浸润性也不断提高。TIC粉去团聚化、TIC预制件预烧结至高的相对密度和采用间接向上渗透法,保障了获得致密无缺陷的复合物组织,提高了复合物的强度及韧性。本文的Fe40Aln4vol%TIC复合物的四点弯曲强度值达到1400MPa,是已有文献报道中最高的;首次成功制备了TIC含量高于85vol%的致密无缺陷的Fe40AI/TIC,其四点弯曲强度值达到大于IGPa。本文率先研究了Fe28AI/TiC和NIAI/TIC复合物的熔渗制备,Fe28AI/(76士3vol%一90士1.2vol%)Tic复合物的四点弯曲强度达到1260士 soMpa一990士90Mpa,维氏硬度为10.6士O.SGPa一15.7士o.SGpa;NIAI/(86一88vol%)TIC复合物的四点弯曲强度和维氏硬度分别达到67肚SOMPa和14GPa。本文用实验方法证实了复合物中包含于多个TIC颗粒间的金属间化合物带属于同一个晶粒,该特性使金属间化合物的晶界脆性大大减小。金属间化合物带在复合物的断裂过程中,表现出韧性断裂特征,提高了复合物的强度和韧性。由于高的TIC含量,复合物中TIC相和金属间化合物相在相当程度上为各自三向互连结构,这有利于获得较高的韧性。复合物的Fe40AI、Fe28AI、Ni3AI相内存在高密度的位错,强化了金属间化合物,有利于复合物强度的提高。金属间化合物相和TIC相在渗透过程中有适量的互溶,保障了两者的浸润性,增加了界面强度。对Fe40AI/TIC和Ni3AI/TIC复合物在90一650MPa/973一1373K条件下的蠕浙江大学博士学位论文变特性的研究表明,Fe40AI/TIC和Ni3AI/TiC复合物的抗高温蠕变能力比单体金属间化合物的大大增加,TIC的抗高温蠕变特性在复合物中发挥了极大的作用。复合物的蠕变失效是以金属间化合物的塑性甚至粘流变形和随之的断裂和与TIC界面的分离进行的。复合物的蠕变变形主要受金属间化合物的蠕变变形影响。依蠕变应力和温度的不同,金属间化合物的蠕变机制包含了无内部阻力的位错攀移、有内部阻力的位错攀移、晶界(位错)滑移及位错滑移和攀移的共同作用。在高TIC含量时,TIC基体承受了相当部分的外加应力,减小了施加在金属间化合物上的有效应力,导致复合物……   
[关键词]:自发熔渗法;陶瓷基复合材料;渗透动力学;金属间化合物;碳化钛;机械性能;组织结构;断裂方式;强化机制;蠕变
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:浙江大学2004年