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SiC纤维增强Ti基复合材料界面反应热力学与微观组织研究

作　者: 秦峰
导　师: 范同祥
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料学
关键词: Ti基复合材料热力学模型界面反应活度系数
分类号: TB33
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

作为下一代航空发动机的关键材料,SiC_f/Ti基复合材料受到极大的关注。但由于Ti的化学活性大,在复合材料的SiC-Ti界面处存在着严重的界面化学反应。然后到目前为止,对SiC_f/Ti基复合材料的界面反应的研究特别是理论研究很不深入,特别是没有从热力学上研究过Ti基体中的各种合金元素的添加对界面反应的影响规律。基于多元合金体系热力学活度理论,并结合Miedema二元合金生成热模型和Kohler三元几何模型,本文建立了二元和三元固相合金体系组元的活度系数的预测和计算模型,并对模型进行了验证。该模型的优点是仅仅依靠合金元素本身的物理参数即可计算中该合金体系中各组元的活度系数。应用上述模型和合金元素本身的物理参数预测了Ti基体中添加的各种不同合金元素对SiC_f/Ti基复合材料中主要界面反应的影响规律。结果表明,Al、Sn、Ni、Fe、Cu、Mn、Cr、Mo和V等元素的加入,都能降低Ti元素的活度,其中Al的作用最显著;而Nb元素的加入,反而能增加Ti元素的活度。可以得出以下结论:Al元素的添加最能抑止界面反应的发生,其它元素对界面反应的抑止作用从高到低依次是Ni, Fe, Cu, Mn, Cr, Mo和V;在某些体系,如Ti-Al-Nb中,Nb元素的加入到Ti基体反而会加剧SiC_f/Ti复合材料界面反应。同时,本文通过使用扫描电镜、透射电镜和X射线等分析手段,对美国SCS-6 SiC纤维和国产SiC纤维增强Ti-6Al-4V基复合材料的微观组织特别是界面反应进行了系统的对比性研究。首先利用SEM对制备过程中出现的纤维搭接、基体空洞及纤维损伤等制备缺陷进行了分析。接着借助X射线能谱仪(EDS)着重对比两种不同纤维增强的复合材料在相同热处理条件下的界面微观结构和反应层中各主要元素,如C, Si, Ti, Al和V的分布情况,探索了界面组织的演变规律。借助透射电镜和X射线衍射分析,发现了SiCf/Ti基复合材料的界面产物主要是TiC和Ti5Si3。最后对两种不同纤维增强的复合材料在不同热处理条件下的界面反应产物的厚度进行了测量,对不同温度下(800℃, 925℃)下,反应层的扩散速率进行了计算,并根据反应动力学,计算出了两种不同复合材料的生长激活能Q和速率常数k0。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-21
  1.1 背景  9-10
  1.2 SIC_F/TI 复合材料发展现状  10-14
    1.2.1 SiC 纤维的发展状况  10-11
    1.2.2 Ti 合金基体  11-12
    1.2.3 连续纤维增强钛基复合材料的制备工艺  12-14
  1.3 SIC_F/TI 复合材料界面反应  14-15
    1.3.1 界面反应对性能的影响  14
    1.3.2 界面反应研究的意义  14-15
  1.4 国内对金属基复合材料的研究现状  15-17
    1.4.1 北京航空材料研究院  15-16
    1.4.2 西北工业大学  16
    1.4.3 中科院沈阳金属所  16-17
    1.4.4 西北有色金属研究院  17
  1.5 本文的主要研究目的和内容  17-19
  参考文献  19-21
第二章多元合金中组元活度系数的预测模型  21-35
  2.1 前言  21-22
  2.2 多元合金扩散系数模型的建立  22-27
    2.2.1 二元合金活度系数模型的建立  22-24
    2.2.2 三元合金活度系数模型的建立  24-27
  2.3 计算模型的可靠性验证  27-32
  2.4 小结  32-33
  参考文献  33-35
第三章合金元素的添加对SIC_F/TI 复合材料界面反应热力学的影响  35-48
  3.1 前言  35-36
  3.2 SIC_F/TI 复合材料界面反应的主要机制和热力学  36-39
  3.3 计算结果和讨论  39-45
  3.4 小结  45-47
  参考文献  47-48
第四章 SIC_F/TI-6AL-4V 界面的微观组织分析  48-72
  4.1 前言  48
  4.2 实验方法  48-51
    4.2.1 基体材料的性能  48-49
    4.2.2 复合材料制备工艺  49-50
    4.2.3 SiC 纤维力学性能测试  50
    4.2.4 SiC 增强型Ti 基复合材料的界面结构测试  50-51
  4.3 实验结果及其分析  51-62
    4.3.1 纤维的力学性能  51
    4.3.2 SiC_f/Ti-6Al-4V 复合材料的形貌和制备缺陷  51-55
    4.3.3 SiC_f/Ti-6Al-4V 复合材料的界面反应  55-62
  4.4 SIC_F/TI-6AL-4V 复合材料的界面固相反应动力学  62-70
    4.4.1 固相反应的理论  62
    4.4.2 Arrhenius 方程和激活能  62-63
    4.4.3 固相反应动力学模型  63-64
    4.4.4 扩散控制的固相反应速率方程  64-65
    4.4.5 实验和计算过程  65-70
  4.5 小结  70-71
  参考文献  71-72
第五章结论  72-74
致谢  74-75
攻读硕士期间已发表或录用的论文  75-77

SiC纤维增强Ti基复合材料界面反应热力学与微观组织研究

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