内生高体积分数TiC_x/TiC_x-TiB_2增强2014铝基复合材料的组织与性能

【摘要】近年来，随着航天航空、汽车、电子等领域的高速发展，我们对材料的要求也逐渐提到了一个新的高度。具有优异综合性能的金属基复合材料作为一种新型先进材料已经脱颖而出，并逐步得到了人们的认可，各领域对金属基复合材料的需求量也在不断的扩大。这其中，铝基、镁基等轻质复合材料起到了中流砥柱的作用。用铝作为基体可以使复合材料具有金属的可塑性和强韧性，同时使用陶瓷颗粒作为增强相又可以使得复合材料强度、刚度以及耐磨性得到极大的提高。作为一种新型结构、工程材料，陶瓷颗粒增强铝基复合材料因具有原材料资源丰富的特点而极大地降低了材料的生产成本。高体积分数的陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有更高的压缩强度、硬度、耐磨性以及较低的热膨胀系数而适用于许多领域的应用需求。然而，随着陶瓷颗粒增强相体积分数的增加，复合材料中容易出现团聚、裂纹和孔洞等缺陷，降低材料的性能，因此对于高体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料的研究大多集中于制备工艺上，而对于性能方面的研究很少。目前，制备陶瓷颗粒增强铝基复合材料的方法主要分为传统铸造法和原位内生法。并且原位内生法作为一种新型的制备方法具备了传统外加法所不具备的独特优势：增强体表面比较干净，改善了与铝基体之间的界面润湿性，提高了界面的结合强度；增强体分布比较均匀，不容出现团聚；不再对颗粒增强体进行预处理，简化制备工艺；反应生成的颗粒尺寸比较细小。因此研究利用原位内生法制备高体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料及其力学性能具有重要的意义。本文用燃烧合成加热压的技术并以2014Al-Ti-C和2014Al-Ti-B4C两种体系为反应体系分别制备了TiCx/2014Al和(TiCx-TiB2)/2014Al两种复合材料，讨论了陶瓷含量对复合材料的陶瓷颗粒尺寸、显微组织结构、压缩性能和磨损性能的影响及机制，并改变了C/Ti摩尔比以及TiCx/TiB2摩尔比，研究了不同C/Ti和TiCx/TiB2摩尔比下50vol.%TiCx/2014Al和50vol.%(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料中陶瓷颗粒尺寸、形貌以及压缩性能、磨损性能的变化规律，并解释其机制。本论文主要有以下结论：(1)揭示出在TiCx/2014Al复合材料中随着TiCx含量的增加，其屈服强度、最大压缩强度和断裂应变具有先增大后减小的规律。随着陶瓷含量的增加，原位反应过程中的放热量增加，增大了复合材料中TiCx颗粒尺寸。陶瓷含量的增加有效地提高了复合材料的压缩强度强度；但陶瓷含量的增加导致反应体系中发气量变大从而降低复合材料的致密性，因此，在TiCx颗粒含量为50vol.%时具有最优压缩性能，其屈服强度、最大拉伸强度和断裂应变分别达到889MPa、1172MPa和7.54%。40vol.%和50vol.%TiCx/2014Al复合材料的致密性较高，体积磨损率较低，耐磨性较优。(2)揭示出不同C/Ti摩尔比(0.6、0.7、0.8、0.9和1.0)对50vol.%TiCx/2014Al复合材料的压缩性能以及磨损性能的影响规律。随着C/Ti摩尔比的增加，原位合成的TiCx陶瓷颗粒的形状从切角八面体向球形或者近球形转变，TiCx/2014Al复合材料的屈服强度、最大压缩强度和弹性模量先升高后降低，断裂应变量降低。C/Ti摩尔比降低，TiCx的x值变小，TiCx颗粒表现出来的金属性增强，改善了其与Al基体之间的界面结合；但C/Ti摩尔比的降低导致复合材料中产生大量Al3Ti脆性相，而且八面体TiCx陶瓷颗粒表面棱角处容易出现应力集中，导致裂纹萌生，降低材料压缩性能。优化出50vol.%TiCx/2014Al复合材料在C/Ti=0.8时具有最优压缩性能，其屈服强度、最大压缩强度、断裂应变和弹性模量分别达到了1094MPa、1454MPa、6.13%和211.65Gpa，同时其显微硬度最高(326.6HV)，体积磨损率最低，耐磨性最优。(3)揭示出在(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料中随着TiCx和TiB2含量的增加，其屈服强度和断裂压缩强度增加，断裂应变量降低的规律。60vol.%(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料具有最高的屈服强度和断裂压缩强度，但其断裂应变最低；40vol.%(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料具有最大的断裂应变，但其屈服强度和断裂压缩强度最低。因此，50vol.%(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料具有最优压缩性能，其屈服强度、断裂压缩强度和断裂应变分别为950MPa、1137Mpa和5.83%。(4)揭示出不同TiCx/TiB2摩尔比(1/3、1/2、1/1、2/1和3/1)对50vol.%(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料压缩性能和磨损性能的影响规律。随着TiCx/TiB2摩尔比的增大，(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料的屈服强度和最大压缩强度降低，断裂应变先升高后降低。因为TiB2陶瓷颗粒的增强效果强于C缺位TiCx陶瓷颗粒，所以TiCx/TiB2摩尔比的减小会提高(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料的压缩强度。棱柱状的TiB2陶瓷颗粒表面棱角处容易产生应力集中而导致裂纹的萌生，过多的TiB2陶瓷颗粒增强相会降低复合材料的压缩断裂应变量，因此TiCx/TiB2摩尔比的减小降低了复合材料应变量。优化出当TiCx/TiB2=1/2时，50vol.%(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料具有最优压缩性能，其屈服强度、最大压缩强度和断裂应变分别达到815MPa、1085MPa和6.91%。C缺位TiCx陶瓷硬度低于TiB2陶瓷，随着TiCx/TiB2摩尔比的增加，复合材料的显微硬度降低，体积磨损率增大，耐磨性变差。(5)50vol.%TiCx/2014Al复合材料的屈服强度、最大压缩强度和断裂应变分别为889MPa，1172MPa和7.54%；50vol.%(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料的屈服强度、最大压缩强度和断裂应变分别为950MPa、1137MPa和5.83%。(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料中TiCx和TiB2颗粒的平均尺寸小于TiCx/2014Al复合材料中的TiCx颗粒尺寸，导致前者的屈服强度高于后者。因为棱柱状的TiB2陶瓷颗粒容易导致应力集中而产生裂纹，所以TiCx/2014Al复合材料的断裂应变高于(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料。C缺位TiCx陶瓷显微硬度低于TiB2陶瓷，(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料的显微硬度高于TiCx/2014Al复合材料，因此(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料具有更优耐磨性。材料选择推荐：a)当要求材料具有较高屈服强度和耐磨性时可以优先选择(TiCx-TiB2)/2014Al复合材料；b)当要求材料具有较高的断裂应变时可以优先选择TiCx/2014Al复合材料。
【作者】刘景苑；
【导师】姜启川；
【作者基本信息】吉林大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】原位内生TiCx；TiB2；2014铝基复合材料；组织；压缩性能；磨损性能；

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