网状结构(TiBw+TiCp)/TC4复合材料高温抗氧化与力学性能研究

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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600700℃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。
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