【摘 要】
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TiAl合金因其轻质,比强度高,比模量高,高温机械性能优良,成为航空发动机最具有应用潜力的材料。但是其又存在硬度低,室温塑性差,耐磨性能差,高温抗氧化性能差的缺点,所以对其力学性能以及高温氧化性能的研究至关重要。本文以Ti粉,Al粉为原料,通过添加TiN粉、Si粉和BN粉,使用真空电弧熔炼的工艺制备了 TiAl合金以及Ti2AlN/Ti5Si3/TiAl和Ti2AlN/TiB2/TiAl复合材料。
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TiAl合金因其轻质,比强度高,比模量高,高温机械性能优良,成为航空发动机最具有应用潜力的材料。但是其又存在硬度低,室温塑性差,耐磨性能差,高温抗氧化性能差的缺点,所以对其力学性能以及高温氧化性能的研究至关重要。本文以Ti粉,Al粉为原料,通过添加TiN粉、Si粉和BN粉,使用真空电弧熔炼的工艺制备了 TiAl合金以及Ti2AlN/Ti5Si3/TiAl和Ti2AlN/TiB2/TiAl复合材料。对不同配比的复合材料,使用X射线衍射仪(XRD),高分辨扫描电镜(SEM),能谱仪(EDS),显微硬度计,万能试验机,摩擦磨损试验机,三维表面形貌仪等设备对复合材料的物相组成、组织形貌进行了系统性的研究,探讨了陶瓷相的含量、分布以及与基体之间的界面关系对TiAl合金的组织形貌,硬度,抗压,耐磨性能以及高温抗氧化性能的影响。研究结果如下:(1)以Ti粉,Al粉为原料。TiN作为N源,Si粉作为Si源。通过真空电弧熔炼工艺,原位合成了 Ti2AlN/Ti5Si3/TiAl基复合材料,MAX相Ti2AlN呈现短棒状的结构,且均匀的分布于TiAl基体中,随着Si含量的增加,Ti5Si3相也在变大,且逐渐呈现长条状。随着Ti5Si3含量的增加,基体的晶粒在不断细化,其硬度不断增加。当Ti5Si3含量为2%时复合材料的强韧性以及耐磨性最好,通过颗粒的钉扎,拔出以及Ti2AlN的弯曲扭折等机制提高其强韧性,Ti2AlN和Ti5Si3作为耐磨骨架提高耐磨性。当Ti5Si3相含量超过2%以后材料的强韧性和耐磨性有所降低,这是由于随着Ti5Si3含量的增加,其尺寸变大,且偏聚在一起,造成应力集中。(2)以Ti粉,Al粉为原料。BN作为N源。添加不同质量分数的Ti粉,Al粉和BN粉末,通过真空电弧熔炼工艺,原位反应合成Ti2AlN/TiB2/TiAl基复合材料。基体为TiAl和Ti3Al层片状交替出现,MAX相Ti2AlN为短棒状,发现了少量的呈规则多边形的TiB2。随着陶瓷相的不断增加,基体晶粒尺寸明显被细化,其硬度和抗压强度显著增加,当强化相含量为10%时,其抗压强度最高,通过颗粒的钉扎,拔出以及Ti2AlN的弯曲扭折等机制提高其强韧性。随着强化相的不断增加,复合材料的耐磨性能在不断提高,磨损体积不断减小。氧化实验表明:随着强化相的不断增加复合材料的氧化层厚度在不断变薄,高温抗氧化的性能也在不断提高,其抗氧化性能的提高主要原因是氧化层中致密的A12O3的形成,阻碍了氧气向复合材料内部的扩散。
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