Si掺杂放电等离子合成Ti2AIC／Ti3AIC2材料及理论分析

以Ti粉、Al粉、活性炭和Si粉为原料，采用放电等离子工艺分别以摩尔比为2．0Ti/1.1Al／1．0C、2．OTi/l．0Al／0．1Si/1.0C、2．0Til1.0Al／0．2Si／1．0C、2．0Ti／0、9Al／0．2Si／1．0（2和2．0Ti／1．0Al／0．3Si／1．0C，在1200℃合成了Ti2AlC／Ti3AlC2块体材料。通过合成试样的X射线衍射谱，确定了放电等离子合成试样的物相组成，并用扫描电镜结合能谱仪观察了合成试样的显微结构和微区成分。结果表明：以2．0Ti／1．1Al／1．0C为原料放电等离子合成了层状结构明显的Ti2AlC材料；掺Si后所有试样都由Ti2AlC、Ti3AlC2和Ti3SiC23种物相组成；当掺Si量逐渐增大，即Al与Si的量比减小时，试样中Ti3AlC2和Ti3SiC2的含量增加，而Ti2AlC的含量降低，同时颗粒得到细化。应用量子化学计算结果解释了掺Si后不利于Ti2AlC的生成，而有利于Ti3AlC2的生成机理，说明了掺Si后固溶体的产生过程。     

MA-SPS制备Ti3SiC2金属陶瓷

采用机械合金化和放电等离子烧结技术制备了高纯Ti3SiC2金属陶瓷,并研究了微量Al对Ti3SiC2的机械合金化合成和随后的烧结过程的影响。结果表明,机械合金化Ti、Si、C混合粉体,可合成TiC、Ti3SiC混合粉体。添加适量的Al可以明显提高机械合金化及随后的放电等离子烧结产物中Ti3SiC2的含量,显著降低高纯Ti3SiC2的烧结合成温度。原料成分为3Ti/Si/2C/0.2Al的混合粉体经机械合金化10h,经850℃放电等离子烧结可获得高达96.5wt%的Ti3SiC2块体,烧结温度提高到1100℃,可获得纯度为99.3wt%、相对密度高达98.9%的Ti3SiC2致密块体。     

Ti3SiC2、Ti3AlC2复相材料高温抗氧化行为的研究

以Ti粉、Si粉、铝粉、石墨为原料,在1600℃热压烧结制得试样,对不同配比Ti3SiC2、Ti3AlC2复相材料在1100～1500℃下恒温氧化20h的氧化行为进行研究.结果表明:热压法制备Ti3SiC2、Ti3AlC2复相材料在高温下具有比Ti3SiC2和Ti3AlC2更优良的高温抗氧化性能;由于试样氧化过程中产生了TiO2、SiO2、Al2TiO5和α-Al2O3,可有效提高试样的高温抗氧化能力.     

原位热压合成Ti3 AlC2 陶瓷

分别用3Ti-Al-2C和2TiC-Ti-Al粉用原位热压技术制备Ti3AlC2陶瓷.采用XRD、DTA、SEM等测试手段研究其物相组成、反应过程及显微结构.结果表明:1300 ℃下3Ti-Al-2C体系的合成产物为层状Ti3AlC2、TiC和Al2O3相,1500 ℃下2TiC-Ti-Al体系的合成产物基本为层状Ti3AlC2相,纯度较高.在Ti-Al-C体系中,首先发生Ti与C反应生成TiC,接着发生Ti与Al反应相继生成TiAl3和TiAl,随后发生TiAl和TiC反应生成Ti2AlC,最后Ti2AlC和TiC反应生成Ti3AlC2.同时,分析了TiC掺杂对TiC-Ti-Al体系原位合成Ti3AlC2的影响.     

放电等离子合成Ti3AlC2-TiB2复合材料的相形成研究

采用放电等离子烧结工艺,以Ti,Al,B4C,TiC为原料制备Ti3AlC2／TiB2复合材料。通过X射线衍射分析了从600℃到1300℃Ti3AlC2／TiB2系统反应过程的相形成规律。用扫描电镜观察了不同温度下试样的显微组织演变。结果表明,在900℃之前,主要的反应是Ti和Al反应生成Ti—Al金属间化合物,900℃之后,Ti—Al金属间化合物与TiC逐渐生成Ti3AlC2和TiB2相,形成致密Ti3AlC2／TiB2复合材料。     

TiC掺杂对热压合成Ti2AlC材料的影响

采用热压工艺合成了Ti2AlC块体材料.在不同温度时,通过X射线衍射分析了掺入不同含量TiC混合粉经热压合成试样的物相组成,并采用SEM观察所合成试样的显微结构.结果发现:完全以元素粉为原料不掺TiC的混合粉经1 500℃热压60 min合成Ti2AlC块体材料,且产物中含有TiC和Ti3AlC2杂相;掺入0.5 mol或1.0 mol TiC混合粉经1 400℃热压60 min后合成不含TiC且只含少量Ti3AlC2的Ti2AlC块体材料.同时,探讨了TiC对合成Ti2AlC块体材料的影响机理.     

原位热压反应制备Ti3AlC2/TiB2复合材料

Ti3AlC2综合了陶瓷和金属的诸多优点,有着潜在的广泛应用前景.然而,单相Ti3AlC2的硬度和强度偏低,限制了它的广泛应用.引入第二相形成复合材料是解决上述问题的一个有效方法.以Ti粉、Al粉、石墨和B4C粉为原料采用原位热压方法成功地合成了Ti3AlC2/TiB2复合材料.利用DSC和XRD对其反应路径作了详细研究,并利用SEM和TEM对复合材料的微观结构进行了表征,最后测试了复合材料的硬度和强度.结果表明用B4C-Ti-Al-C体系,可以在较低温度下合成致密的无杂质Ti3AlC2/TiB2复合材料;引入的TiB2明显提高了Ti3AlC2的硬度和强度.     

机械合金化制备Ti3AlC2陶瓷材料的研究

采用Ti,Al和C元素粉末为反应物原料,通过机械合金化法成功地制备出高含量三元碳化合物Ti3AlC2陶瓷粉体.按Ti3AlC2化学计量比为起始反应原料配比(Ti∶Al∶C=3∶1∶2)的元素混合粉末,经3 h的机械合金化后,Ti、Al和C单质混合粉末发生化学反应,生成以Ti3AlC2为主晶相,并含有少量TiC的混合粉体和小块体;粉体中Ti3AlC2的含量达到83%(质量分数,下同).产物合成的原因是在Ti-Al-C体系中发生了一种机械诱发自蔓延反应.     

自生Ti2AlC/TiAl复合材料的组织及反应过程

采用自蔓延燃烧合成及真空电弧熔炼的方法,以碳纤维(Cf)、钛粉及铝粉为原料,合成了Ti2AlC/TiAl复合材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析了复合材料的物相组成和微观结构,讨论了原位合成Ti2AlC的反应和二次Ti2AlC的析出过程。结果表明,复合材料铸锭由Ti2AlC、TiAl和Ti3Al3相组成,基体由α2(Ti3Al)+γ(TiAl)片层和γ(TiAl)等轴晶粒构成,原位自生的Ti2AlC分布均匀,呈短纤维状或颗粒状。1200℃均匀化热处理促使Ti3Al分解为TiAl和Ti2AlC,导致Ti2AlC粗化,同时基体表面析出细小的二次Ti2AlC颗粒。     

机械合金化＋热处理制备高纯Ti3SiC2粉体

以3Ti/Si/2C/0.2Al粉体为原料,采用机械合金化和真空热处理的方法合成了高纯度的Ti3SiC2粉体,并分析了粉体颗粒的外观形貌.结果表明,对3Ti/Si/2C/0.2A1粉体机械合金化4 h,可以生成Ti3SiC2和TiC的混合粉体.采用真空碳管炉对机械合金化粉体产物进行热处理,可以显著提高粉体中Ti3SiC2含量.热处理温度对粉体Ti3SiC2含量有很大的影响,过高或过低都不利于提高粉体中Ti3SiC3含量.在1150℃保温2 h得到的粉体产物Ti3SiC2含量最高,达到97.1 v01%.热处理产物粉体颗粒比较细小,适合做复合材料的原料.     

放电等离子烧结可加工Ti2AlC陶瓷的研究

以自蔓延高温合成（SHS）的Ti2AlC粉体为原料，利用放电等离子烧结技术（SPS）研究了Ti2AlC陶瓷的烧结制备。结果表明：烧结温度1250℃，压力20MPa，真空烧结，保温5min，可获得相对密度98．6％，维氏硬度为4．3GPa的致密烧结块体；烧结样品的维氏硬度随烧结温度升高而增大，但高于1250℃后随温度升高反而减小，SPS方法烧结Ti2AlC陶瓷的最佳温度为1250℃，当烧结温度≥1350℃时Ti2AlC分解；SEM分析表明，SPS技术烧结制备的Ti2AlC陶瓷片层尺寸随烧结温度的升高而增大。     

Ti3AlC2/Cu复合材料的制备及其性能研究

采用粉末冶金的方法在1000℃和30 MPa的热压条件下,烧结制备了以Ti3AlC2为增强相的Ti3AlC2/Cu复合材料,研究了增强相含量(10%～40%)对复合材料的显微结构、抗弯强度、硬度和电阻率的影响.结果表明:Ti3AlC2能够有效增强铜,当Ti3AlC2含量为30%时,增强效果最佳,复合材料的抗弯强度达1033 MPa,最大形变为2.5%,增强相含量继续增加时,复合材料的强度反而降低;随着增强相含量的增加,复合材料渐趋脆性断裂,同时复合材料的电阻率基本呈线性升高.     

Ti2AlC可加工陶瓷自蔓延高温合成中的显微组织演变

在研究Ti,C,A1摩尔比为2:1:1的混合粉末自蔓延高温合成Ti2A1C过程中的组织演变中,将在试样中蔓延的燃烧波强制淬熄.用扫描电镜观察了淬熄试样中的显微组织演变,测定了其燃烧温度,并用X射线衍射检测了燃烧合成产物的相组成.结果表明:合成反应以Al的熔化为先导;反应过程可用溶解-析出-熔化结晶机制描述;该反应具有不完全性,可能是由于实验中使用了较粗的钛粉和铝粉所致.     

Ti3AlC2陶瓷在空气中的高温氧化行为

采用热压烧结法,在1450 ℃保温2 h制备Ti3 AlC2陶瓷,研究其在1000 ℃空气中的断续氧化行为.结果表明,Ti3AlC2在1000 ℃的空气中氧化30 h后,动力学曲线服从抛物线规律.氧化层厚度约为350 μm,由多层组成,从外到内依次为TiO2的富集层,TiO2和Al2O3的富集层,TiO2、Al2O3以及还有少量孔洞层,Al2O3富集层.整个氧化过程主要由Al3+和Ti4+的向外扩散和O2-的向内扩散组成.     

TiAl3对燃烧合成Ti3AlC的影响

以单质粉末Ti，Al和碳黑为原料，研究了添加金属间化合物TiAl3对燃烧合成Ti3AlC的影响。实验结果表明，仅以单质粉末Ti，Al和碳黑为原料，按Ti3AlC化学计量比配料，燃烧产物主要物相是Ti2AlC和TiC，无Ti3AlC。但在保持原料配比不变的情况下，在反应物原料中添加金属间化合物TiAl3（0～23．5％，质量分数）后，可得到Ti3AlC相物质，其含量随TiAl3的增加而显著增多，成为燃烧产物的主要物相之一。从动力学和热力学角度探讨了TiAl3对燃烧合成Ti3AlC的影响机理。     

Ti2AlC陶瓷的电化学腐蚀性能研究

将原料粉体按TiC：Ti：Al：C=0．5：1．5：1：0．5的配比充分混合，在石墨模具中加压到30MPa，升温至1400℃保温2h后自然冷却到室温，得到高纯致密的Ti2AlC烧结体。用电化学方法测定了高纯Ti2AlC在不同腐蚀介质中的极化曲线。结果表明，Ti2AlC在HCl中的腐蚀电流密度最大，腐蚀严重；而在NaOH中自腐蚀电压最负，腐蚀趋势最大；除了在HCl中表现为活性溶解外，在其它的腐蚀介质中均出现钝化现象。     

燃烧合成三元碳化合物Ti2AlC1-x

采用Ti，Al和C元素粉末为反应物原料，通过燃烧合成法首次成功地制备出了单相三元碳化合物Ti2AlC1-x。实验结果表明：若以“理想”晶体结构化学式Ti2AlC化学计量比为起始反应原料配比，燃烧产物主晶相为Ti2AlC2；以缺碳的非化学计量比(Ti2AlC1-x)为反应原料配比，即Ti：Al：C=3：1．5：1=2：1：0．7(摩尔比)，得到单相的燃烧产物Ti2AlC1-x。从热力学原理的角度探讨了不同原料摩尔配比对燃烧产物相组成的影响机理。     

Ti3AlC2颗粒含量对Ti3AlC2/ZA27 复合材料性能的影响

通过无压烧结技术和机械合金化技术,在烧结温度为870 °C,保温时间为2.5h的工艺条件下,制备了四种不同体积含量的Ti3AlC2 颗粒含量的Ti3AlC2/ZA27复合材料。研究了Ti3AlC2 颗粒含量对Ti3AlC2 /ZA27复合材料的硬度,密度,拉伸强度和弯曲强度的影响。结果表明界面处的微弱的化学反应有助于提高复合材料的界面结合能力,进而提高Ti3AlC2 /ZA27复合材料的机械性能。此外,随着Ti3AlC2 颗粒含量增多,Ti3AlC2 /ZA27复合材料的硬度和力学强度都随之增大,这主要归因于纳米尺度的Ti3AlC2颗粒的弥散增强结果。然而,随着Ti3AlC2 颗粒的增加到40 vol. %, 由于孔隙的增多,Ti3AlC2 /ZA27复合材料的硬度和力学强度又出现下降。对比制得的四种Ti3AlC2 /ZA27复合材料,30Ti3AlC2/ZA27复合材料拥有最大的抗拉强度、抗弯曲强度以及维氏硬度,分别为310 MPa,528 MPa 和1.24 GPa. 这些优异的性能除了归因于良好的界面结合,还归因于Ti3AlC2颗粒的细晶强化和弥散强化作用。     

放电等离子合成Ti3AlC2/TiB2复合材料的制备及性能研究

采用放电等离子烧结方法研究了Ti3AlC2/TiB2复合材料的制备和不同TiB2含量(体积百分数)对Ti3AlC2/TiB2性能的影响。研究表明,在1250℃,30MPa压力和保温8min条件下烧结,可以得到相对密度达98%以上的致密Ti3AlC2/TiB2块体材料;在Ti3AlC2中添加TiB2能大幅度提高材料的硬度;Ti3AlC2/30%TiB2维氏硬度达到10.39GPa,电导率达到3.7×106S·m-1;当TiB2含量为10%时,抗弯强度为696MPa,断裂韧性为6.6MPa·m1/2,但当TiB2含量继续增加时,由于TiB2的团聚和TiB2抑制Ti3AlC2晶体的生长导致了材料的抗弯强度和断裂韧性的下降。