Ti-Al基體內(nèi)原位自生Al-,2-O-,3-纖維的研究.pdf

1、Ti-Al系金屬間化合物，具有密度小、熔點(diǎn)高、強(qiáng)度大、耐腐蝕和抗氧化能力強(qiáng)等性能，被認(rèn)為是一種極具應(yīng)用潛力的新型航空航天結(jié)構(gòu)材料。但此類金屬間化合物室溫脆性、韌性、高溫強(qiáng)度較差，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。為此，自80年代起人們開始了Ti-Al基復(fù)合材料的研究。在眾多的增強(qiáng)物中，Al<,2>O<,3>憑借其高強(qiáng)度、低密度的性質(zhì)，以及與鈦鋁金屬間化合物具有良好的物理、化學(xué)相容性而倍受青睞。傳統(tǒng)的真空熔煉工藝，需要達(dá)到液相溫度以上，形成的鑄錠晶粒較粗

2、大，易于產(chǎn)生裂紋，成分偏析也比較嚴(yán)重。為了在低溫下制取Ti-Al基復(fù)合材料，粉末冶金是一種較為合理的方法。 實(shí)驗(yàn)以Ti、Al粉末分別加入一種或兩種組分的TiO<,2>、Nb<,2>O<,5>、La<,2>O<,3>、高嶺土、Al<,2>O<,3>等添加劑的混合料為起始反應(yīng)物，混合粉經(jīng)干磨均勻，分別以熱壓燒結(jié)、真空燒結(jié)和覆埋法燒結(jié)3種不同的工藝進(jìn)行了燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。利用X射線衍射儀(XRD)、電子掃描顯微鏡(SEM)等分析了產(chǎn)物的物相組

3、成、顯微結(jié)構(gòu)，并結(jié)合差熱掃描量熱儀(DTA)對(duì)反應(yīng)過程進(jìn)行分析。系統(tǒng)討論了添加劑對(duì)Ti-Al金屬間化合物內(nèi)原位自成Al<,2>O<,3>纖維的影響及Al<,2>O<,3>纖維的形成機(jī)理。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)Al：Ti>3：1(摩爾比)時(shí)，采用覆埋法在TiAl<,3>基體內(nèi)原位生成了Al<,2>O<,3>纖維。分析認(rèn)為Al<,2>O<,3>纖維為Ti-Al-M<,x>O<,y>(M-金屬元素)體系在加熱過程中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并按V

4、LS機(jī)制原位生成的。當(dāng)加入La<,2>O<,3>或高嶺土后Al<,2>O<,3>纖維的分布均勻性提高，但纖維形貌更為復(fù)雜：纖維表面不光滑，分支現(xiàn)象較嚴(yán)重，甚至形成枝狀形貌。因?yàn)長(zhǎng)a<,2>O<,3>、高嶺土?xí)腚s質(zhì)，造成催化劑液滴的成分偏離，使母體纖維在成分偏離點(diǎn)出現(xiàn)纖維的二次生長(zhǎng)。加入TiO<,2>或Nb<,2>O<,5>后，在晶界處生成的纖維較短，小部分出現(xiàn)分支現(xiàn)象；氣孔周圍的纖維表面光滑，細(xì)長(zhǎng)而直。Al與TiO<,2>、Nb<,

5、2>O<,5>發(fā)生鋁熱反應(yīng)，反應(yīng)迅速且釋放大量熱，造成在局部范圍內(nèi)含Al氣體的過飽和度太高，導(dǎo)致鋁熱反應(yīng)產(chǎn)物Al<,2>O<,3>主要以顆粒形式存在而非纖維狀。在反應(yīng)過程中氣相組分的沉積速率不同導(dǎo)致催化劑液滴中的成分變化，使部分晶須呈現(xiàn)分支等現(xiàn)象。在Ti-Al-TiO<,2>、Ti-Al-Nb<,2>O<,5>基礎(chǔ)上加入Al<,2>O<,3>粉末降低了生成纖維所需氣氛的過飽和度及反應(yīng)放熱量，促使Al<,2>O<,3>纖維在一個(gè)較穩(wěn)定的系

6、統(tǒng)中均勻生長(zhǎng)，提高了纖維分布的均勻性；隨著Al<,2>O<,3>粉末的增加，纖維質(zhì)量明顯提高：纖維表面更光滑，長(zhǎng)徑比更大。由于覆埋法合成的產(chǎn)物氣孔率大、致密度低，因此將覆埋燒結(jié)的試樣進(jìn)行熱壓處理，以提高其致密度：致密度隨著溫度的升高而增大。在各組實(shí)驗(yàn)中，30Ti-70Al-10TiO<,2>、30Ti-70Al-10Nb<,2>O<,5>兩種配方覆埋燒結(jié)成的試樣中的纖維質(zhì)量最好，且TiO<,2>、Nb<,2>O<,5>不會(huì)引入雜質(zhì)相，還