論文實(shí)例：原位合成鈦基復(fù)合材料的制備、微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能

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

2、原位合成，避免了增強(qiáng)體的污染問(wèn)題，也避免了熔鑄過(guò)程中存在的潤(rùn)濕性問(wèn)題，有利于制備性能更好的復(fù)合材料。然而，為了低成本高效制備高性能的鈦基復(fù)合材料尚有許多問(wèn)題需要解決。因此，從理論和實(shí)驗(yàn)上研究這些問(wèn)題，對(duì)低成本高效制備高性能的鈦基復(fù)合材料具有非常重要的理論和實(shí)際意義。針對(duì)金屬基復(fù)合材料發(fā)展應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題?成本和性能，開發(fā)設(shè)計(jì)了新型的鈦基復(fù)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(fù)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(yīng)，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(qiáng)或TiB晶須和TiC粒子混雜增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料。為了拓展鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，為

3、制備高性能的鈦基復(fù)合材料打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，的研究主要包括以下幾個(gè)方面工作：1、研究了利用鈦與石墨、硼及碳化硼之間的反應(yīng)制備TiB和TiC增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的原位合成機(jī)理。利用熱力學(xué)理論計(jì)算了鈦與石墨、硼、碳化硼反應(yīng)的Gi自由能DG和反應(yīng)生成焓DH，結(jié)果表明：各個(gè)反應(yīng)的Gi自由能DG值都為負(fù)值，說(shuō)明在熱力學(xué)上上述反應(yīng)是可行的。雖然在熱力學(xué)上可以利用鈦與碳化硼之間的化學(xué)反應(yīng)合成TiB2和TiC增強(qiáng)體，但從化學(xué)平衡考慮，TiB2不能穩(wěn)定存在于過(guò)量鈦中，因此能夠穩(wěn)定存在于普通鈦合金中的增強(qiáng)體為TiB和TiC。上述反應(yīng)都為高放熱的反應(yīng)，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(yīng)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(qiáng)或TiB晶須和TiC粒子混雜增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料。X射線衍射分析結(jié)果表明：原位合成的增強(qiáng)體為TiB、TiC。這些增強(qiáng)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(qiáng)體為TiB，而樹枝晶狀和等軸或近似等軸狀增強(qiáng)體為TiC。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，這為原位自生鈦基復(fù)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(fù)合材料增強(qiáng)體的生長(zhǎng)機(jī)制，結(jié)果表明：增強(qiáng)體的生長(zhǎng)機(jī)制與凝固過(guò)程及增強(qiáng)體的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。原位合成的增強(qiáng)體以形核與長(zhǎng)大的方式從熔體中

5、析出而長(zhǎng)大。對(duì)于原位合成TiB和TiC混雜增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料，經(jīng)歷了析出初晶、二元共晶和三元共晶三個(gè)階段。由于不同的晶體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)體TiB與TiC形成不同的生長(zhǎng)形態(tài)。TiB具有B27晶體結(jié)構(gòu)，易于沿方向生長(zhǎng)長(zhǎng)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(shí)，在TiB的(100)面上容易形成層錯(cuò)。而TiC具有NaCl型對(duì)稱結(jié)構(gòu)，容易長(zhǎng)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(qiáng)體TiB容易在（100）面上形成高密度的層錯(cuò)，層錯(cuò)的形成與增強(qiáng)體的晶體結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)機(jī)制有關(guān)，同時(shí)也有利于降低增強(qiáng)體與基體合金界面的晶   

6、 金生產(chǎn)廠家可以在不改變?cè)O(shè)備和工藝的條件下，低成本高效制備高性能的鈦基復(fù)合材料。而采用該原位合成工藝制備復(fù)合材料的性能是可設(shè)計(jì)和可控制的，針對(duì)不同的應(yīng)用條件，可以設(shè)計(jì)不同成分的基體合金及不同含量、不同配比增強(qiáng)體的復(fù)合材料以滿足不同的需求。從合金相圖、增強(qiáng)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(qiáng)體的生長(zhǎng)機(jī)制、生長(zhǎng)形態(tài)、分布狀態(tài)以及界面微區(qū)特征。研究了鈦基復(fù)合材料的微觀組織對(duì)鈦基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。這些研究為以后制備高性能的鈦基復(fù)合材料和拓展鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和為批量生成提供了實(shí)用途徑。近兩年來(lái)，研究成果引起了國(guó)家航空航天部門的關(guān)注，國(guó)家“十五”軍工重

7、點(diǎn)課題和航天支撐基金、航天創(chuàng)新基金課題獲得了批準(zhǔn)。并將用于我國(guó)的先進(jìn)戰(zhàn)略導(dǎo)彈XX2改，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈XX19及新一代洲際導(dǎo)彈和潛地導(dǎo)彈的構(gòu)件。鑒于該技術(shù)在國(guó)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(yīng)用前景，與國(guó)內(nèi)大型鈦合金加工企業(yè)寶鋼集團(tuán)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(guò)程，實(shí)現(xiàn)了新型鈦基復(fù)合材料的工業(yè)化生產(chǎn)。研制開發(fā)的材料近期將在國(guó)家戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)武器、宇宙飛船等方面得到驗(yàn)證和應(yīng)用。并將逐漸推廣應(yīng)用于民用領(lǐng)域，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。關(guān)鍵詞非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，原位合成，生長(zhǎng)機(jī)制，凝固，晶體結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)，力學(xué)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