論文實例：原位合成鈦基復合材料的制備、微結(jié)構(gòu)及力學性能

1、論文實例：原位合成鈦基復合材料的制備、微結(jié)構(gòu)及力學性能    作者簡介：呂維潔，男，1973年02月出生，1997年04月師從于上海交通大學張荻教授，于2000年11月獲博士學位。摘要面對高技術(shù)時代對高性能鈦合金材料日益緊迫的要求，非連續(xù)增強鈦基復合材料因其具有的高比強、高比剛度、耐高溫和耐蝕性能已成為研究的熱點。人們對其制備工藝、微結(jié)構(gòu)、力學性能等進行了一系列的研究，而這些研究的主要目標為外加法制備的鈦基復合材料。而本研究則采用原位合成工藝制備非連續(xù)增強的鈦基復合材料。與外加法比較，原位合成法因其工藝簡單、材料性能優(yōu)異，在技術(shù)和經(jīng)濟上更為可行。增強體的

2、原位合成，避免了增強體的污染問題，也避免了熔鑄過程中存在的潤濕性問題，有利于制備性能更好的復合材料。然而，為了低成本高效制備高性能的鈦基復合材料尚有許多問題需要解決。因此，從理論和實驗上研究這些問題，對低成本高效制備高性能的鈦基復合材料具有非常重要的理論和實際意義。針對金屬基復合材料發(fā)展應用中的關(guān)鍵問題?成本和性能，開發(fā)設(shè)計了新型的鈦基復合材料的制備工藝，可以低成本高效制備性能優(yōu)異的鈦基復合材料。即可利用鈦與碳化硼、硼及石墨之間的自蔓燃高溫合成反應，采用普通的鈦合金冶煉工藝制備出單純TiB晶須、單純TiC顆粒增強或TiB晶須和TiC粒子混雜增強的鈦基復合材料。為了拓展鈦基復合材料的應用領(lǐng)域，為

3、制備高性能的鈦基復合材料打下堅實的基礎(chǔ)，的研究主要包括以下幾個方面工作：1、研究了利用鈦與石墨、硼及碳化硼之間的反應制備TiB和TiC增強鈦基復合材料的原位合成機理。利用熱力學理論計算了鈦與石墨、硼、碳化硼反應的Gi自由能DG和反應生成焓DH，結(jié)果表明：各個反應的Gi自由能DG值都為負值，說明在熱力學上上述反應是可行的。雖然在熱力學上可以利用鈦與碳化硼之間的化學反應合成TiB2和TiC增強體，但從化學平衡考慮，TiB2不能穩(wěn)定存在于過量鈦中，因此能夠穩(wěn)定存在于普通鈦合金中的增強體為TiB和TiC。上述反應都為高放熱的反應，從理論上講絕熱溫度都大于自蔓燃高溫合成的判據(jù)，表明反應能自發(fā)維持。2、利

4、用非自耗電弧爐和自耗電弧爐經(jīng)普通的鈦合金鑄造工藝制備出單純TiB晶須、單純TiC顆粒增強或TiB晶須和TiC粒子混雜增強的鈦基復合材料。X射線衍射分析結(jié)果表明：原位合成的增強體為TiB、TiC。這些增強體分布非常均勻，主要呈現(xiàn)為短纖維狀、樹枝晶狀和等軸或近似等軸狀。電子探針和帶能譜的掃描電鏡分析結(jié)果表明：短纖維狀增強體為TiB，而樹枝晶狀和等軸或近似等軸狀增強體為TiC。實驗結(jié)果與理論分析一致，這為原位自生鈦基復合材料的工業(yè)化生產(chǎn)提供了依據(jù)。3、研究了原位合成鈦基復合材料增強體的生長機制，結(jié)果表明：增強體的生長機制與凝固過程及增強體的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。原位合成的增強體以形核與長大的方式從熔體中

5、析出而長大。對于原位合成TiB和TiC混雜增強的鈦基復合材料，經(jīng)歷了析出初晶、二元共晶和三元共晶三個階段。由于不同的晶體結(jié)構(gòu)，增強體TiB與TiC形成不同的生長形態(tài)。TiB具有B27晶體結(jié)構(gòu)，易于沿方向生長長成短纖維狀，而且TiB橫截面的形狀呈多邊形，其晶面主要由(100)、(10)和(101)組成。同時，在TiB的(100)面上容易形成層錯。而TiC具有NaCl型對稱結(jié)構(gòu)，容易長成樹枝晶狀、等軸狀和近似等軸狀。發(fā)現(xiàn)原位合成的增強體TiB容易在（100）面上形成高密度的層錯，層錯的形成與增強體的晶體結(jié)構(gòu)、生長機制有關(guān)，同時也有利于降低增強體與基體合金界面的晶   

6、 金生產(chǎn)廠家可以在不改變設(shè)備和工藝的條件下，低成本高效制備高性能的鈦基復合材料。而采用該原位合成工藝制備復合材料的性能是可設(shè)計和可控制的，針對不同的應用條件，可以設(shè)計不同成分的基體合金及不同含量、不同配比增強體的復合材料以滿足不同的需求。從合金相圖、增強體晶體結(jié)構(gòu)及凝固理論相結(jié)合分析了原位合成增強體的生長機制、生長形態(tài)、分布狀態(tài)以及界面微區(qū)特征。研究了鈦基復合材料的微觀組織對鈦基復合材料力學性能的影響規(guī)律。這些研究為以后制備高性能的鈦基復合材料和拓展鈦基復合材料的應用領(lǐng)域打下了堅實的理論基礎(chǔ)和為批量生成提供了實用途徑。近兩年來，研究成果引起了國家航空航天部門的關(guān)注，國家“十五”軍工重

7、點課題和航天支撐基金、航天創(chuàng)新基金課題獲得了批準。并將用于我國的先進戰(zhàn)略導彈XX2改，戰(zhàn)術(shù)導彈XX19及新一代洲際導彈和潛地導彈的構(gòu)件。鑒于該技術(shù)在國防軍工方面具有的戰(zhàn)略意義以及在民用領(lǐng)域的潛在應用前景，與國內(nèi)大型鈦合金加工企業(yè)寶鋼集團五鋼有限公司開展產(chǎn)業(yè)化研究，完成了該材料的中試過程，實現(xiàn)了新型鈦基復合材料的工業(yè)化生產(chǎn)。研制開發(fā)的材料近期將在國家戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)武器、宇宙飛船等方面得到驗證和應用。并將逐漸推廣應用于民用領(lǐng)域，為國民經(jīng)濟的發(fā)展作出貢獻。關(guān)鍵詞非連續(xù)增強鈦基復合材料，原位合成，生長機制，凝固，晶體結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)，力學性能，位向關(guān)系，界面結(jié)構(gòu)Fabrication,Microstruct

8、ureandMechanicalPropertiesofinsituSynthesizedTitaniumMatrixCompositesATRACTDuetoincreasingrequirementfortitaniumalloywithhighpropertiesinhightechnologyera,discontinuouslyreinforcedtitaniummatrixcompositesownthefollowingadvantages:highecificstrength,highecificmodulus,highelevatedtemperatureproperty,w

9、earresistanceandlowfabricatingcost,sotheyhavebecometheresearchhotot.Theproceingtechnique,microstructureandmechanicalpropertieshavebeenexteivelystudied.However,themainaimisdiscontinuouslyreinforcedtitaniummatrixcompositepreparedbytraditionaltechniquesuchaspowdertechnologyandliquidmetallurgy,wherethec

10、eramicparticlesaredirectlyincorporatedintosolidorliquidmatricesreectively.Inthispaper,anewinsitutechniquehasbeenusedtofabricatediscontinuouslyreinforcedtitaniummatrixcomposites.Comparedwithtraditionaltechnique,insitutechniqueownthefollowingadvantages:thetechniqueisverysimpleandthepropertiesareexcellent,soitiseasiertofabricatetitaniummatrixcompositesintechnologyandeconomic.Theinsitusynthesisofceramicparticleavoidsthepollutionofreinforcementsandwettabilityexistingincastingtechnique,soitisval