SiC_P与新型耐高温钛合金原位反应制备的钛基复合材料组织与性能研究

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耐高温钛合金及其复合材料在航空航天发动机等领域具有重大应用背景,本文采用氩气保护烧结(APS)与放电等离子烧结(SPS)两种制备工艺,利用碳化硅颗粒(SiCp)与新型耐高温钛合金之间的原位反应制备了颗粒增强钛基复合材料,研究了SiCp含量(0vol.%,3.5vol.%,7vol.%,10vol.%)、固溶时效工艺、制备工艺等对材料组织性能的影响,所开展的主要研究工作及取得的结果如下:(1)研究了APS工艺制备的复合材料烧结态的组织与性能。研究表明:SiCp对粉末具有一定的细化作用,烧结态复合材料的相组成主要为α-Ti、TiC及Ti5Si3,且随SiCp含量增加材料晶粒尺寸逐级细化;复合材料的显气孔率、显微硬度随SiCp含量增加而增加,添加10vol.%SiCp的复合材料显微硬度为743.47HV,较基体合金(537.95HV)提高约38.2%,硬度提升明显。(2)研究了固溶时效对APS工艺制备的复合材料组织性能的影响。研究表明:添加10vol.%SiCp的复合材料固溶时效后相组成仍主要为α-Ti、TiC及Ti5Si3,固溶时效不改变材料的相组成,在HT5(1000℃/3h/AC+750℃/3h/AC)工艺下增强相含量最高,强化效果最好;随着固溶温度的升高,复合材料晶粒尺寸逐渐增加;复合材料最佳的固溶时效工艺为HT5,此时硬度高达1062.08HV,较烧结态(743.47HV)提高约42.9%。(3)研究了APS工艺制备的复合材料固溶时效态的抗高温氧化性能。研究表明:750℃和850℃两种温度下氧化100h后材料的氧化产物相似,都主要由TiO2、Al2O3及SiO2构成;750℃下,复合材料的平均氧化速度k+值均小于1g·m-2·h-1,达到抗氧化等级,随着氧化温度的升高,材料的抗氧化性下降;相同温度下,随着SiCp含量的增加材料的氧化膜厚度逐渐减小,氧化增重下降,其中添加10vol.%SiCp的复合材料在750℃和850℃下的氧化增重分别为3.4194mg·cm-2和12.0129 mg·cm-2,仅为基体合金的31.2%和72.6%,添加的SiCp可以显著改善材料的抗高温氧化性能。(4)研究了APS工艺制备的复合材料固溶时效态的热腐蚀性能。研究表明:随温度升高,材料抗腐蚀性下降;相同温度下,随着SiCp含量的增加材料的腐蚀增重减少。添加10vol.%SiCp的复合材料在750℃和850℃下腐蚀30h后的腐蚀增重分别为6.1575 mg·cm-2和30.5706 mg·cm-2,仅为基体合金的39.9%和64.5%;两种温度下材料的腐蚀产物相似,都主要由TiO2、Al2O3、SiO2、NaTiO2、Na2Si2O5、TiS2等构成,且腐蚀层厚度随SiCp含量增加逐渐减小,材料的抗腐蚀性能得到改善。(5)研究了SPS工艺制备的复合材料的组织与性能。研究表明:SPS工艺制备的材料相组成与APS工艺相同,无明显差别;SPS工艺制备的基体合金及添加7vol.%SiCp的复合材料的显气孔率仅为1.26%和1.57%,与APS工艺相比显著降低;基体及添加7vol.%SiCp的复合材料的显微硬度分别为532.25HV与724.56HV,与APS工艺相差不大;SPS工艺制备的材料在750℃下的抗氧化性能优异,均不低于抗氧化等级,添加7vol.%SiCp的复合材料达到完全抗氧化等级,基体及添加7vol.%SiCp的复合材料氧化增重仅为APS工艺的23.5%及26.2%,与APS工艺相比材料的抗高温氧化性能得到显著提高。综上所述,本文创造性地采用APS与SPS两种工艺,利用SiCp与新型耐高温钛合金之间的原位反应成功制备了TiC、Ti5Si3颗粒增强钛基复合材料,为钛基复合材料的设计及制备提供了参考。
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