论文部分内容阅读
钛铝金属间化合物因其低密度、高比强度与比模量、良好的耐磨及抗氧化能力、高温抗蠕变性能等优良性能，被认为是航空航天、汽车制造等行业中潜在的高温结构材料。然而，低的室温塑和断裂韧性以及高温强度和抗氧化性明显不足，限制了其作为高温结构材料的实际应用。复合材料化和元素微合金化可以有效地改善钛铝金属间化合物的综合性能。
本文采用原位反应热压合成工艺，利用Al-Ti-TiO2-Cr2O3和Al-Ti-TiO2-Fe2O3体系的放热反应，分别制备了Cr2O3和Fe2O3强化的Al2O3/TiAl复合材料。借助X-射线衍射分析(XRD)、差热分析(DTA)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)等手段，研究了研究了Al-Ti-TiO2-Cr2O3体系的反应过程，分析了Cr2O3和Fe2O3对Al2O3/TiAl复合材料的相组成、晶粒大小和微观形貌影响；通过力学性能测试，初步探讨了材料的断裂及强韧化机理。
DTA结果表明：Ti-Al、Al-TiO2以及Al-Cr2O3的反应均经由多个中间反应直至最后完成。Ti-Al-TiO2系783℃和952℃处的两放热峰对应了Ti-Al系756℃和Al-TiO2系916℃处的放热峰，滞后是由于反应初期TiO2的稀释作用。由于Al-Cr2O3直接置换单质Cr的反应在铝熔化之前即可发生并释放大量热能，该热能促进了前期和后期反应，易于实现低温致密化烧结，且造成Ti-Al-TiO2-Cr2O3系放热峰前移，单质Cr固溶于TiAl中最终形成了Ti(Al，Cr)2。
43.9Ti-38.6Al-17.5TiO2-nCr2O3体系经1300℃烧结保温1h后，其合成产物的XRD测试显示，产物由γ-TiAl，α2-Ti3Al，Al2O3以及少量的Ti(Al，Cr)2相构成。微观结构分析表明：Al2O3颗粒分布于基体交界处，存在一定的偏聚。Cr2O3的引入，改变了基体γ-TiAl相和α2-Ti3Al相的相对含量，γ-TiAl相的含量减少，α2-Ti3Al相含量增大。随Cr2O3掺杂量的增大，Al2O3颗粒逐渐增多，呈细小弥散分布，同时基体晶粒尺寸也减小。当Cr2O3掺杂量为2.5wt％时，基体平均晶粒尺寸为10μm，Al2O3颗粒的平均尺寸约为1μm。力学性能测试表明：产物的密度和洛氏硬度随Cr2O3掺杂量的增大而增大；抗弯强度和断裂韧性呈峰值变化，在Cr2O3掺杂量为2.5wt％时，达到最大，分别为925MPa和8.55MPa·m1／2。
43.9Ti-38.6Al-17.5TiO2-nFe2O3体系经1300℃烧结保温1h后，其合成产物的XRD测试显示，产物由γ-TiAl，α2-Ti3Al，Al2O3以及微量FeAl3相构成；随Fe2O3的掺杂量增大，复合材料的相对密度和洛氏硬度逐渐增大；抗弯强度和断裂韧性呈峰值变化，Fe2O3掺杂量为0.84wt％时复合材料弯曲强度和断裂韧度达到最大值，分别为624Mpa和6.63MPa·m1／2。
不同工艺参数的研究结果表明：①升高烧结温度，产物的密度和硬度不断增大，抗弯强度和断裂韧性呈峰值变化；②延长保温时间，抗弯强度和断裂韧性呈峰值变化；③增加球磨时间，综合力学性能都有所提高。材料的增韧机制主要为协同韧化、晶粒细化和裂纹的桥联与偏转。