网状结构tibwticptc4复合材料高温抗氧化与力学性能研究-study on high temperature oxidation resistance and mechanical properties of mesh tibwticptc 4 composites.docx

Classified Index：TB 331 U.D.C：621 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON THE ANTI-OXIDATION BEHAVIOR AND MECHANICAL PROPERTIES OF (TiBw+TiCp)/TC4 COMPOSITES WITH A NOVEL NETWORK MICROSTRUCTURE Candidate： Fu Yu Supervisor： Prof. Geng Lin Academic Degree Applied for： Master of Science in Engineering Speciality： Material Science Affiliation： School of Material Science and Engineering Date of Defence： July, 2012 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士论文 哈尔滨工业大学工学硕士论文 - - I - 摘 要 本文是以提高钛基复合材料的力学性能和高温抗氧化性能为目标，采用原 位反应自生技术结合粉末冶金的方法，基于细小的 C 粉、TiB2 粉和大尺寸的 TC4 粉末，通过低能球磨和热压烧结技术，成功制备出一种增强体呈 准连续网状分 布的(TiCp+TiBw)/TC4 复合材料。采用扫描电镜对复合材料组织中增强体的形 态和分布进行了研究。采用室温三点弯曲、常温拉伸和纳米压痕试验对网状结 构(TiCp+TiBw)/TC4 复合材料的抗弯强度、 抗拉强度、纳米硬度和弹性模量进 行了测试和评价，揭示出 TiBw 提高网状结构(TiCp+TiBw)/TC4 复合材料力学性 能的原因。并且对网状结构(TiCp+TiBw)/TC4 复合材料高温抗氧化行为进行了 研究，采用 X 射线衍射、扫描电镜和能谱分析方法分析了复合材料氧化膜的形 貌和组成，阐述了网状结构(TiCp+TiBw)/TC4 复合材料抗氧化机理。 探索球磨工艺的试验表明，将 C、TiB2 和 TC4 粉共同球磨（200rpm/8h/5:1）， 与 TiB2 和 TC4 粉先球磨（200rpm/4h/5:1），再加入 C 粉一起球磨（200rpm/4h/5:1）， 制备的复合材料，在组织结构和力学性能上没有显著差异，认为球磨工艺对本 试验体系的网状结构复合材料的组织结构和力学性能没有显著影响。 对网状结构(TiCp+TiBw)/TC 复合材料组织结构的研究表明：增强体均匀分 布在基体颗粒周围，形成规则的网状结构，原位自生的 TiCp 生长在一起形成 “TiCp 墙”，随着 TiBw 含量增加，销钉状 TiBw 增多，一部分 TiBw 长入 TC4 基体内部，连接着相邻基体。 力学性能研究结果表明，随着 TiBw 含量增加，弯曲强度逐渐增大，最大 值为 827MPa，此时抗拉强度为 600MPa，并且从基体中心到网状界面处纳米硬 度和弹性模量均增大，认为 TiBw 的引入，增加了基体间的连通度，TiBw 具有 增强效果，TiBw 的性能优于 TiCp，因此提高了网状结构复合材料的力学性能。 抗 氧 化 试 验 研 究 结 果 表 明 ， 网 状 结 构 (TiCp+TiBw)/TC4 复 合 材 料 在 600~700℃氧化 100h，氧化动力学遵循抛物线规律 ，氧化产物主要为金红石型 TiO2 和 Al2O3。网状结构复合材料具有良好抗氧化性的原因：一是复合材料的 氧化膜是由若干个网状结构单元的氧化膜组成，可以缓解和释放氧化膜中的应 力，二是网状界面处晶格畸变严重，使界面处优先氧化，生成的氧化物 TiO2 对 氧化膜起到连接钉扎作用，使氧化膜不容易开裂和脱落，引入 TiBw，在 800℃ 生成挥发相 B2O3，增加氧进入材料内部的通道，会降低复合材料的抗氧化性。 关键词：TiC 颗粒；TiB 晶须；网状结构；抗氧化性能；力学性能 - - II - Abstract The objective of this article is to increase the mechanical properties and high temperature oxidation resistance of titanium matrix composites (TMCs).TiC particles and TiB whiskers reinforced titanium matrix composites with