超声固结Ti/Al叠层复合材料力学性能分析

以1100铝箔以及TA1钛箔为原材料,通过超声固结制备了Ti/Al箔材金属层状复合材料试样,应用准静态拉伸试验研究了Ti/Al叠层复合材料的力学性能与Ti,Al箔材力学性能之间的关系,获得了不同温度条件下的Ti/Al叠层复合材料的力学性能变化规律,利用数码相机记录了Ti/Al叠层复合材料的拉伸变形过程及失效形式,采用扫描电镜(SEM)对其断口进行分析,通过原位三点弯曲试验对其弯曲变形过程进行分析。结果表明,Ti/Al界面成形了可靠的连接,变形性能较好的Ti层带动Al层协调变形,提高了整体的变形能力,延伸率可达31%,随着变形温度的提高,延伸率逐渐降低;室温条件下Ti,Al层清晰可见且开裂,Ti,Al层断口上均布满了大小不等的韧窝,高温条件下Ti,Al开裂不明显,局部的韧窝的尺寸更大;在弯曲变形过程中,裂纹在Ti层、Ti/Al界面的不断转移,吸收变形过程中的能量,延缓了裂纹的扩展。     

连续SiC纤维增强钛基复合材料横向强度分析

连续SiC纤维增强钛基复合材料(SiCf/Ti)具有良好的综合性能,但其横向性能低于钛合金基体,为了准确地预测SiCf/Ti复合材料的横向强度,提出一种基于界面脱粘强度的计算模型。采用SiCf/Ti复合材料十字拉伸试件来测试复合材料的纤维/基体界面脱粘强度,并分析了热处理工艺对界面脱粘强度影响规律,以及不同纤维之间界面脱粘强度的差别。复合材料横向拉伸试件采用箔-纤维-箔方法制备,每个试件的纤维层数为10层,纤维百分数为30%左右。在不同温度条件下测试复合材料的横向拉伸强度,拉伸温度分别为室温、300,400,550℃,通过对比实验结果和模型预测结果,模型预测的结果与实验结果的误差不超过5%。     

金刚石含量与粒度对自蔓延高温烧结钛铝碳结合剂/金刚石复合材料组织与形貌的影响

采用Ti、Al、石墨和金刚石粉体为原料,通过自蔓延高温烧结制备Ti2AlC结合剂/金刚石复合材料,研究金刚石含量和粒度对该复合材料的物相组成与显微形貌的影响。结果表明,原料粉末发生自蔓延反应,可生成Ti2AlC基体相,同时亦生成TiC和Al_3Ti相。金刚石粒度较细(W5)时,金刚石表面C元素充分地与Ti反应生成TiC,同时基体主相变成TiC和Al,没有Ti_2AlC形成。当金刚石粒度较粗(30/40目)时,基体的主相为Ti_2AlC;金刚石与基体结合紧密。当添加金刚石粒度为120/140目时,基体的主相为Ti_2AlC和TiC。当采用170/200目金刚石为原料时,研究金刚石含量对复合材料基体组成与显微组织的影响时,发现原料中添加10%与20%的金刚石后得到的样品基体的主相为Ti_2AlC、TiC和Al3Ti相与金刚石;金刚石表面均包覆着良好的TiC与Ti_2AlC组织。但是当金刚石含量增加至30%时,基体的主相为TiC,同时含有少量的Ti_2AlC、Ti和Al_3Ti等相;金刚石表面受到一定程度的侵蚀,被一些TiC晶粒所包裹。提出一个Ti-Al-石墨-金刚石体系的自蔓延反应机制,即Ti和Al首先发生化学反应,生成Al_3Ti并放出大量的热,然后,原料中的石墨与金刚石表面转变的石墨都与Ti反应形成TiC,TiC与周围的Ti-Al相不断反应形成Ti2AlC。最后,基体主相为Ti_2AlC,金刚石表面亦形成Ti2AlC。     

金刚石含量与粒度对钛铝氮结合剂/金刚石复合材料组织的影响

采用Ti、Al、TiN、石墨和金刚石粉体为原料,通过自蔓延高温烧结制备Ti_2AlN结合剂/金刚石复合材料,研究金刚石颗粒的含量和粒度对该复合材料的物相组成与显微形貌的影响。结果表明,原料粉末发生自蔓延反应,生成Ti_2AlN基体相,同时亦生成TiN、Al N和Al3Ti相,金刚石表面生成致密的TiC或Ti_2AlC。当金刚石粒度较粗(30/40,80/100目)时,金刚石表面反应程度较差,形成不连续的TiC与Ti_2AlC组织,基体的主相为Ti_2AlN。当金刚石粒度较细(W20)时,金刚石表面C元素与Ti充分反应生成TiC,基体主相变成TiC和TiN,未形成Ti_2AlN。当金刚石粒度为170/200目时,随金刚石含量增加,金刚石与基体元素的反应程度增加,基体中TiC和Al含量随之增加,而Ti_2AlN含量相应减少。     

微波烧结TiC/6061铝基复合材料的界面

通过微波烧结制备TiC/6061铝基复合材料,采用TEM、EDS、XRD分析该复合材料结合界面的结构、元素分布和相组成;从热力学角度研究新相的形成机理。结果表明:结合界面存在厚度约为100 nm的扩散型和反应型2种中间层,其与基体和增强相的邻接整洁、边界连续、结合紧密。扩散型界面,具有(111)Al//(240)TiC,]110[Al//[001]TiC的晶体学位向关系并形成半共格界面;反应型界面,由TiAl和微纳米级的Al4W相组成。界面TiAl相的热力学形成机理为Al和Ti元素通过扩散的方式首先生成TiAl3,之后随Ti元素的进一步扩散占据TiAl3中Al的位置,最终形成TiAl。     

掺杂Nb2O5对RHP合成Al2O3-TiAl复合材料的影响

采用反应热压(RHP)工艺,利用Ti、Al、TiO2及Nb2O5之间的放热反应,在较低温度下制备了Nb2O5强化Al2O3/TiAl复合材料.借助XRD、OM及SEM等手段,考察了Nb2O5对Al2O3/TiAl复合材料的相分布及组织结构的影响.结果表明:材料产物由γ-TiAl、α2-Ti3Al、Al2O3和NbAl3相构成,Al2O3颗粒分布于基体交界处,存在一定的偏聚.Nb2O5的引入,使得γ-TiAl相含量减少,α2-Ti3Al相含量增大;基体晶粒有所细化,且分布逐渐趋于均匀.当Nb2O5的引入量(质量分数)为6%时,组织主要由α2-Ti3Al/γ-TiAl层片状晶团组成,出现了较完整的γ-TiAl晶粒,属于近片层(NL)组织结构,层片状晶团的尺寸小于50μm,γ晶粒尺寸小于5μm.力学性能测试表明,当Nb2O5的引入量(质量分数)为6%时,材料的抗弯强度达到最大值,约为593MPa,硬度为4.77 GPa;断裂韧度达到最大值,为8.93MPa·m1/2,具有可接受的力学性能.     

Ti-Ni-Nb钎料钎焊βNb-Ti合金接头的微观组织及力学性能

采用65Ti-25Ni-10Nb (%,质量分数)钎料对体心立方结构的βNb-Ti固溶体合金进行钎焊,研究了钎焊条件对接头微观组织和力学性能的影响规律。研究发现,接头焊缝组织主要由{(Nb,Ti)+TiNi}共晶组织、(Nb,Ti)固溶体相、 TiNi相、 Ti_2Ni相和富Ti相组成。随着钎焊温度的升高和钎焊时间的延长,钎焊过程中钎料和基体中的合金元素发生互扩散,焊缝组织中的{(Nb, Ti)+TiNi}共晶组织和TiNi相逐向Ti_2Ni相转变,并在Ti_2Ni相内部逐渐析出富Ti相。同时,基体中的其他合金元素如Al, V和Cr元素向钎料中扩散。随钎焊温度的升高或保温时间的延长,钎焊接头的剪切强度呈先增加后降低的趋势。这主要是由于Ti_2Ni相具有较高的剪切模量,其含量的增加使钎焊接头的剪切强度增加,但随后Ti_2Ni相内部析出富Ti相使焊缝内应力增加,导致钎焊接头的剪切强度迅速降低。在1150℃钎焊15 min时, 65Ti-25Ni-10Nb/Nb-Ti钎焊接头的室温剪切强度可达到617.7 MPa。     

发动机用石墨烯表面镀Cu增强钛基复合材料的制备及力学性能

通过微波烧结法制备石墨烯(GNPs)表面镀Cu增强钛基(Ti6Al4V)复合材料,探讨石墨烯表面镀Cu后对钛基复合材料显微组织和力学性能的影响。结果表明:石墨烯表面成功镀覆一层较均匀分布的Cu颗粒;石墨烯与基体Ti界面反应严重,容易生成粒径为2~5μm的TiC,石墨烯表面镀Cu后,界面反应产生的TiC含量更多,同时生成了Ti_2Cu相;相比于单纯外加石墨烯,石墨烯表面镀Cu后,提高了复合材料的力学性能,其相对密度、显微硬度、抗压强度分别达到95.48%、468 HV_(0.1)、1 406 MPa;室温磨损机制由基体(Ti6Al4V)的磨粒磨损转变为GNPs-Cu/Ti6Al4V复合材料的黏着磨损。     

放电等离子烧结Ti/(1-x)Ti_3SiC_2+xSiC层状材料的显微结构

以钛粉,硅粉和石墨粉为原料,采用放电等离子烧结技术制备密度为4.14 g/cm3的Ti3SiC2和密度为4.03 g/cm3的0.8 Ti3SiC2+0.2 SiC复合材料,并以此为基础制备Ti/Ti3SiC2/0.8Ti3SiC2+0.2SiC层状材料。通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析材料的显微结构与相组成。结果表明:该层状材料的界面结合紧密,没有明显的孔洞、裂纹等缺陷,各层的相组成符合设计要求。经800℃热处理40 h后Ti/Ti3SiC2界面处生成稳定的TiC层,在高温下该层状材料的界面基本稳定。     

SiC/Ti_3Al复合材料原位合成及其界面反应动力学研究

利用TC4,Al廉价材料,通过磁控溅射物理气相沉积技术制备SiC先驱丝,利用热等静压工艺,在温度1423 K,压力170 MPa条件下进行复合,反应时间为1 h,通过原位反应生成Ti3Al基体,从而制备SiC纤维增强Ti3Al基复合材料。通过扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)观察SiC纤维增强Ti3Al基复合材料基体与界面的微观组织形貌及界面元素分布,利用透射电镜(TEM)分析复合材料基体的物相结构,并对SiC纤维增强Ti3Al基复合材料的界面反应进行动力学分析。结果表明,利用TC4,Al制备的SiC先驱丝,通过原位反应可生成Ti3Al基体,属于六方晶系,组织为等轴晶,晶粒尺寸约为1μm。通过磁控溅射和热等静压工艺制备SiC纤维增强Ti3Al基复合材料,可缩短工艺流程,节约成本。根据SiC纤维增强Ti3Al基复合材料界面反应层生长动力学分析,得到界面反应层生长动力学方程:δ=2.73×10-6exp(-257.09×103/RT)t1/2,可准确预测连续碳化硅纤维增强Ti3Al基复合材料在制备和使用过程中界面反应层的生长规律,为其应用提供理论依据。     

β-TiAl-xCr合金的相稳定性与力学性质预测

采用第一原理赝势平面波方法研究了Cr在B2-TiAl完整与缺陷晶体中的择优占位趋势,并基于虚拟晶体近似(VCA)与Born稳定性判据,计算了Cr合金化(浓度22.0%,原子分数,下同)完整与缺陷B2-TiAl晶体的弹性性质和Cr稳定β相的合金化浓度,进而采用Cauchy压力参数(c12-c44)、杨氏模量E、剪切模量G及其与体模量B的比值G/B表征和评判了Cr浓度对β-TiAl-x Cr多晶合金强韧化效果的影响。结果表明:B2-TiAl晶体的点缺陷结构主要为Ti反位,Cr在B2-TiAl完整与缺陷晶体中都优先占据Al原子位。在化学计量比β-Ti50Al50-xCrx合金与富Ti的β-Ti56Al44-xCrx合金中稳定β相的Cr合金化浓度分别为10%~15%和9%~20%。对于化学计量比β-Ti50Al50-xCrx(x=10~15)合金,Cr合金化可显著提高其强度与硬度,且浓度越高强化效果越好,但不存在明显的韧化效果;对于富Ti的β-Ti56Al44-xCrx(x=9~20)合金,合金塑性与韧性随Cr合金化浓度增加而变好,但Cr合金化的强化作用则不明显。     

粉末冶金制备的Ti35Nb2．5Sn5HA生物复合材料的组织与性能研究

采用高能机械球磨和脉冲电流活化烧结方法制备了一种新型的不含Al、V等有毒元素的口钛合金基体的Ti35Nb2．5Sn5HA生物复合材料。研究了不同机械球磨时间球磨的Ti35Nb2．5Sn5HA粉末以及用这几种粉末烧结制备的样品微观组织和显微硬度变化,球磨时间对烧结复合材料的微观组织和性能的影响。结果表明：随着球磨时间的增加,Ti35Nb2．5Sn5HA粉末的颗粒尺寸逐渐减小,Nh和Sn开始与Ti发生固溶,形成Ti的过饱和固溶体,而且α-Ti也开始向β-Ti转化。当球磨时间达到12h,球磨粉末中α-Ti完全转化为β-Ti,粉末颗粒的平均尺寸为500nm左右。12h球磨的粉末烧结制备的复合材料具有超细晶粒尺寸,晶粒平均尺寸为200nm,这种复合材料的维氏显微硬度可以达到10187．3MPa。     

不同碳源TiC/Ti复合材料的显微组织及力学性能

采用原位熔铸法制备了不同TiC添加量以及不同碳源(碳粉末、碳纤维和碳纳米管)的TiC/Ti复合材料,研究了TiC添加量和碳源种类对铸态和锻态TiC/Ti复合材料显微组织的影响,并对不同碳源制备的铸态和锻态复合材料进行了断裂韧性和室温压缩性能测试。结果发现,TiC/Ti复合材料主要由α-Ti和TiC组成;α片层宽度随着TiC体积分数的增加逐渐下降,TiC呈条状或片状。经过锻造,TiC呈近等轴状,α片层进一步细化。以碳粉末作为原位反应碳源制备的铸态TiC/Ti复合材料,断裂韧性较高,以碳纤维和碳纳米管作为碳源时,断裂韧性较低;以不同碳源制备的铸态复合材料,室温抗压强度和屈服强度无明显差异。     

不同碳源TiC/Ti复合材料的微组织及力学性能

采用原位熔铸法制备了不同TiC添加量以及不同碳源(C粉末、C纳米管和C纤维)的TiC/Ti复合材料,研究了TiC添加量和碳源种类对铸态和锻态TiC/Ti复合材料显微组织的影响,并对不同碳源制备的铸态和锻态复合材料进行了断裂韧性和室温压缩实验。结果发现,TiC/Ti复合材料主要由α-Ti和TiC组成;α片层宽度随着TiC体积分数的增加逐渐下降,TiC呈条状或片状。经过锻造,α片层扭折,TiC呈近等轴状。在引入的碳源中,添加C粉末作为原位反应碳源制备的铸态TiC/Ti复合材料的断裂韧性最高,C纳米管次之,碳纤维最低;室温抗压压缩强度和屈服强度的大小与断裂韧性趋势相反。经过锻造,断裂韧性整体下降;室温抗压强度和屈服强度整体提高。     

Ti-22Al-27Nb 合金平衡相结构预测

在Ti Al Nb三元系热力学数据库基础上 ,运用相图计算技术预测了Ti2 AlNb基合金Ti 2 2Al 2 7Nb的相比例和相组成等平衡相结构信息 ,并揭示了该合金相结构的演化过程 ,与实验结果吻合较好。随着温度的变化 ,该合金中存在的平衡相也随之变化 :在 10 5 0℃以上全部转变为B2相 ,在 10 0 0～ 15 0 0℃之间α2 B2两相共存 ,在 843～ 10 0 0℃之间为α2 B2 O1三相共存 ,在 75 0～ 843℃之间为α2 B2 O2三相共存 ,在 72 7～ 75 0℃之间为O2 B2两相共存 ,在 72 7℃以下全部转变为O2相。     

热等静压技术制备TiAl合金

用Ti,Al元素混合粉(Ti-34％Al,Ti中含有1.5％TiC,质量分数),采用热等静压技术制备了TiAl合金,研究了热等静压压力对合金的密度,合金的微观结构以及物相等的影响,研究结果表明:随着热等静压压力的升高,合金的密度迅速增大,同时,合金中的Ti_3Al相消失,TiC与其它物质反应并在晶界处形成Ti_2Al相,随着压力的升高,合金收缩率的增大,细小的球状Ti_2AlC相会聚集在一起而变成针状Ti_2AlC,利用HIP技术可以很容易地制备出含C的TiAl复合材料。     

V元素掺杂对粉末冶金Ti_2AlNb合金显微组织的影响

采用高能球磨法和放电等离子烧结技术(SPS)制备Ti_2AlNb合金,利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对合金显微组织及相结构进行表征,分析V元素掺杂对Ti_2AlNb合金显微组织的影响。研究表明,Ti_2AlNb预合金粉末球磨后出现胞状晶,经退火后胞状晶显著长大。掺杂V元素后,V原子占据O相中原本Ti原子的位置,hcp结构向bcc结构的转化受到抑制,O相组织由针状趋于圆润并均匀分布,出现均匀层片状网篮组织,α_2相与O相含量增加;当V含量为2%(原子分数)时,Ti_2AlNb合金中α_2相的含量最高。     

PtTi0.5Zr0.2/Ti微叠层复合材料的制备及性能研究

将0.14 mm厚PtTi0.5Zr0.2合金片和0.08 mm厚Ti片依次叠放,经850℃/2 h真空热压烧结后,分别采用冷轧和热轧工艺制备PtTi0.5Zr0.2/Ti微叠层复合材料。研究了轧制工艺对微叠层复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明:在850℃热压烧结2 h,叠层复合材料界面形成冶金结合,并有少量Ti_3Pt金属间化合物形成;采用冷轧工艺,单道次变形量为10%～15%,累积变形量至50%后进行500℃/1 h中间退火,然后继续冷轧直至复合坯厚度至0.2 mm、总变形量超过90%,由此得到的PtTi0.5Zr0.2/Ti微叠层复合材料的层间距为20～30μm,且各叠层保持连续,厚度均匀,平行度好;PtTi0.5Zr0.2/Ti微叠层复合材料抗拉强度为657 MPa,延伸率达9.46%。     

纳米镀镍层作中间层的钛合金与不锈钢扩散焊接

采用电镀纳米镍中间层,对钛合金TA17与不锈钢0Cr18Ni9Ti进行扩散焊焊接试验研究.利用能谱对焊接接头的元素分布进行分析,结果表明:采用电镀纳米镍层作中间层能有效防止钛合金中的Ti、V、Al等元素与不锈钢中Fe、Ni、C等元素的相互扩散和迁移,很好地抑制了金属间化合物TiFe、TiFe2及脆性相TiC的形成.通过计算接头处扩散层的激活能可知纳米镍的扩散性能比镍箔的好.     

放电等离子烧结Ti_3SiC_2/金刚石复合材料的组织结构与磨削性能

采用Ti_3SiC_2粉体和不同粒度的金刚石颗粒为原料,通过放电等离子烧结制备Ti_3SiC_2结合剂/金刚石复合材料,研究金刚石粒度与烧结温度对该材料的物相组成、显微形貌以及磨削性能的影响。结果表明,烧结过程中,Ti_3SiC_2分解生成Si与TiC_x。当金刚石粒度较细(W20)时,金刚石表面的C元素与TiC_x充分反应,生成厚度约为1μm的TiC过渡层,Ti_3SiC_2结合剂/金刚石复合材料中存在许多孔隙,烧结温度为1 200~1 400℃时,该材料的主相是TiC_x,TiC和Ti_3SiC_2,当温度升高至1 500℃时,主相为TiC,含有少量Ti_3SiC_2;金刚石粒度较粗时(30/40,120/140目),在1 200℃温度下烧结的复合材料的主相均为Ti_3SiC_2与TiC_x,1 500℃下烧结时,含30/40目金刚石的复合材料主相为TiC和Ti5Si3,含少量Ti_3SiC_2,含120/140目金刚石的复合材料主相为TiC,含少量Ti_3SiC_2。用粒度为120/140目的金刚石颗粒制备的Ti_3SiC_2结合剂/金刚石复合材料的磨削性能最好,当烧结温度为1 400℃时,磨耗比达到6 857。