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C_f/Ti-Al复合材料的制备及组织和力学性能研究

作　者: 姜国庆
导　师: 武高辉
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 压力浸渗 复合材料 均匀化处理 机械合金化
分类号: TB33
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


本文以连续纤维增强金属间化合物基复合材料在航空航天领域中的应用为背景,通过压力浸渗一步法、压力浸渗-高温扩散-均匀化处理三步法、机械合金化-压力浸渗二步法三种方法制备了Cf/Ti-Al复合材料,利用扫描电镜、透射电镜、拉伸试验、三点弯曲试验、均匀化处理等多种手段,较为系统地研究了复合材料的组织特征、力学性能及其影响因素。采用压力浸渗法制备的复合材料,基体中Ti与Al反应很少,加入稀土元素后,可以促进Ti与Al的反应。加入1号溶剂Ti颗粒与Al的反应物为TiAl3,而加入2号溶剂Ti颗粒与Al的反应物层片状的TiAl,稀土元素与Al发生反应,生成了三角状的XAl3。经过800℃高温扩散处理15min后,基体中Ti与Al的反应层并没有明显增加。在550℃/30h等几种均匀化处理工艺条件下,Al向Ti中发生了明显的扩散,形成了扩散层包围中心的壳状结构,扩散层的反应物质为TiAl3,但是材料中容易出现孔洞。建立了Al向Ti扩散的动力学方程。理论计算表明,理论计算值与实际值存在着很大的偏差。最主要的两个原因是,第一,难以得到准确的扩散系数;第二,实际均匀化处理时间比理论计算采用的均匀化处理时间更长。三步法制备复合材料过程中,机械合金化得到的Ti3Al与Al发生了反应,形成了TiAl3。采用三步法和二步法制备的复合材料由于脆性相TiAl3的存在,强度比压力浸渗制备的复合材料低;本文研究表明,减小Ti颗粒粒度,可以使复合材料的强度增加,添加稀土元素使复合材料的抗拉强度和抗弯强度分别提高60%和12.6%;提高Ti颗粒含量使复合材料的强度提高108%;单向纤维增强复合材料比纤维布增强复合材料强度高将近一倍。材料的断裂形式均为脆性断裂。对制备碳纤维增强钛铝金属间化合物基复合材料的目标来说,机械合金化-压力浸渗二步法更具实际价值。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章 绪论  9-25
  1.1 课题背景  9
  1.2 Ti-Al系金属间化合物  9-13
    1.2.1 Ti_3Al金属间化合物  10-11
    1.2.2 TiAl金属间化合物  11-13
    1.2.3 TiAl_3金属间化合物  13
  1.3 连续纤维  13-14
    1.3.1 SiC纤维  13-14
    1.3.2 Al_2O_3纤维  14
  1.4 连续纤维增强钛铝金属间化合物基复合材料  14-20
    1.4.1 连续纤维增强钛铝金属间化合物基复合材料的优势  14-15
    1.4.2 连续纤维增强钛铝金属间化合物基复合材料的界面研究  15-16
    1.4.3 连续纤维增强钛铝金属间化合物基复合材料的力学性能  16-20
  1.5 连续纤维增强钛铝金属间化合物基复合材料的制备方法  20-22
  1.6 存在的问题和发展趋势  22-24
    1.6.1 存在的问题  22-23
    1.6.2 发展趋势  23-24
  1.7 本文的研究目的和主要内容  24-25
第2章 材料及试验方法  25-33
  2.1 试验材料  25-28
    2.1.1 纤维的原始形貌  26
    2.1.2 Ti颗粒形貌  26-27
    2.1.3 机械合金化所用Al粉的形貌  27-28
  2.2 试验方法  28-33
    2.2.1 微观组织观察  28
    2.2.2 拉伸性能测试  28-29
    2.2.3 三点弯曲性能测试  29-30
    2.2.4 断口观察  30
    2.2.5 均匀化处理  30-32
    2.2.6 物相分析  32
    2.2.7 球磨  32-33
第3章 压力浸渗一步法制备C_f/Ti-Al复合材料的组织和力学性能  33-47
  3.1 C_f/Ti-Al复合材料的制备  33-34
  3.2 C_f/Ti-Al复合材料的SEM组织  34-37
  3.3 TEM组织观察  37-40
    3.3.1 界面观察  37-39
    3.3.2 基体组织  39-40
  3.4 复合材料的力学性能  40-42
    3.4.1 复合材料的拉伸应力应变曲线  40-41
    3.4.2 复合材料的力学性能  41-42
  3.5 断口观察与分析  42-45
    3.5.1 拉伸断口  42-43
    3.5.2 三点弯曲断口  43-45
  3.6 本章小结  45-47
第4章 三步法制备C_f/Ti-Al复合材料的组织和力学性能  47-65
  4.1 高温扩散  47-48
    4.1.1 高温扩散工艺的选择  47
    4.1.2 高温扩散之后的微观组织  47-48
  4.2 均匀化处理  48-57
    4.2.1 均匀化处理工艺的选择  48-49
    4.2.2 均匀化处理之后的微观组织  49-57
  4.3 均匀化处理过程中的热力学和动力学分析以及动力学模型的建立  57-62
    4.3.1 均匀化处理过程中的热力学和动力学分析  57-59
    4.3.2 动力学模型的建立  59-61
    4.3.3 理论计算  61-62
  4.4 复合材料的力学性能  62-63
  4.5 断口分析  63
  4.6 本章小结  63-65
第5章 二步法制备C_f/Ti-Al复合材料的组织和力学性能  65-72
  5.1 机械合金化  65-68
    5.1.1 Ti粉与Al粉相对含量的确定  65-66
    5.1.2 机械合金化粉末的物相分析  66-68
    5.1.3 机械合金化粉末的形貌  68
  5.2 复合材料的微观组织  68-70
  5.3 机械合金化-压力浸渗二步法制备复合材料的力学性能  70
  5.4 断口观察与分析  70
  5.5 本章小结  70-72
第6章 C_f/Ti-Al复合材料力学性能的影响因素  72-79
  6.1 基体组织和相成分对复合材料力学性能的影响  72-73
  6.2 稀土元素对复合材料力学性能的影响  73-74
  6.3 Ti颗粒大小对复合材料的力学性能的影响  74-75
  6.4 Ti颗粒含量对复合材料力学性能的影响  75-76
  6.5 纤维排布方式对复合材料力学性能的影响  76-77
  6.6 各种制备方法的对比分析  77-78
  6.7 本章小结  78-79
结论  79-81
参考文献  81-86
附录  86-87
攻读学位期间发表的学术论文  87-88
致谢  88

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料
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