纤维增强tial3ti层状复合材料室温断裂韧性研究【字数：9909】
本研究是将连续纤维Al2O3引入到Al3Ti层中，通过连续纤维的引入，提高复合材料整体的强度和韧性，重点对陶瓷纤维的加入对复合材料室温断裂韧性的影响进行探究，对比讨论纤维引入的增强作用。本实验主要涉及复合材料制备、微结构表征、室温断裂韧性测试三部分内容。首先利用真空热压烧结技术制备出连续Al2O3纤维增强的Ti/Al3Ti层状复合材料，并得出Ti/Al3Ti层状复合材料最佳的制备工艺。然后通过金相显微观察、XRD衍射分析等方法来分析探究材料的微观结构；通过计算法及实验法测得材料的实际密度；用显微硬度计测得材料的显微硬度数据并绘图分析。最后用电子万能材料试验机对复合材料室温断裂韧性进行测试。通过对复合材料进行XRD衍射分析可以得出材料的主要成分构成为Ti相、反应新生成的 Al3Ti相和引入的Al2O3相，同时也残留少许的铝；通过金相显微观察可以看出Ti 相与Al3Ti 相交替相间排列，并且它们之间有良好的界面结合。根据显微硬度数据及硬度曲线分析可以得出，Ti层硬度的平均值为343.1HV，Al3Ti层硬度的平均值为 641.7HV。从材料的断裂韧性试验可以得出:连续纤维Al2O3对复合材料有明显增强作用
目 录
第1章 绪论 3
1.1 前言 3
1.2 Ti/Al3Ti 层状复合材料的特点 3
1.3 几种制备连续纤维增强 Ti/Al3Ti 层状复合材料的方法 3
1.3.1 粉末布法 4
1.3.2 热喷涂法 4
1.3.3 粉末冶金法 5
1.3.4 物相沉积法 5
1.3.5 真空热压烧结制备纤维增强材料 5
1.4 纤维增强 Ti/Al3Ti 层状复合材料的发展现状及应用前景 6
1.4.1 纤维增强 Ti/Al3Ti 层状复合材料的发展现状 6
1.4.2 纤维增强 Ti/Al3Ti 层状复合材料应用前景及存在的问题 6
1.5 本文研究目的及主要内容 7
第2章 试验材料和试验方法 8
2.1 试验材料 8
2.1.1 原材料准备 8
2.1.2 原材料的复合制备 8
2.2试验方案 8 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
2.2.1 试验过程 8
2.2.2 试验仪器及原理 9
2.3 存在的问题及注意事项 13
2.4 本章小结 13
第3章 试验过程及结果 14
3.1 制备工艺 14
3.2 复合材料的微结构表征 15
3.2.1 金相显微镜观察 15
3.2.2 X射线衍射分析 17
3.3 复合材料的密度测试 18
3.3.1 实验法测密度 18
3.3.2 计算法测密度 18
3.4 复合材料的硬度测试 19
3.5 复合材料的室温断裂韧性测试 20
第4章 结 论 23
参考文献 24
致 谢 26
第1章 绪论
1.1 前言
在我国，由于航空航天技术的不断提高，我们国家对发动机更高更优性能的需也越来越迫切，因此发动机材料的发展与性能的优化就显得格外重要。在现代社会，发动机的材料需要向着更强更刚、更轻质性能方向发展，同时应该具有更加卓越的抗疲劳性能[1]。Ti/Al系金属间化合物基合金由于具有优良的高温比强度、比刚度、抗蠕变、抗氧化、抗燃烧以及耐磨性等等性能,在近年来国际优质材料研究中备受瞩目，但是因为Ti/Al系金属间化合物本身的长程有序结构及晶体滑移系少使得它在室温下的塑性较差、断裂韧性低、裂纹扩展速率大, 所以Ti/Al金属间化合物应用前景受限[2，3]。在70年代的后期, 研究者们利用粉末冶金与合金化技术相结合的方法制备出了Ti/Al金属间化合物合金, 至此钛铝金属间化合物的研究重新引起了人们的关注[4]。作为一种高质量的轻质新型航空航天结构材料,金属间化合物基层状复合材料Ti/Al3Ti不仅具有高温强度及优良的蠕变抗力，而且具有很高的塑性与韧性，这使得Ti/Al3Ti层状复合材料成为航空航天领域一种新型的高质量的优异性能材料[5]。
1.2 Ti/Al3Ti层状复合材料的特点
进入二十一世纪以来，科研工作者们一直致力于Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料力学性能的研究工作。大量的试验及数据分析表明：Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料的弹性模量较高而密度较低，具有优异吸能特性及较高的强度。不仅如此，研究还表明该类复合材料的屈服强度与其Ti的体积分数呈正比，而且复合材料的韧性、抗压强度等性能也受Ti层体积分数的影响。总的来说，Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料由于具有良好的性能，是一种发展前途良好、发展潜力巨大的新型材料。
1.3 其它几种制备连续纤维增强 Ti/Al3Ti 层状复合材料的方法
1.3.1 粉末布法
粉末布法[10]是将润滑剂加入到粉末状基体和粘结剂混合体内，随后搅拌调制成原料浆。 当润滑剂挥发后，将原料压成薄布片状并且将其按合适的尺寸切工加工。然后将纤维缠绕在卷筒上，再涂上一层粘结剂。当纤维和粘结剂结合成纤维毡片后将其取下并加工成合适的尺寸，最后将粉末布和纤维毡片交替相间放置并在真空热压环境中烧制成复合材料。如图 1.3.1 所示：
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图1.3.1 粉末布法示意图
1.3.2 热喷涂法
热喷涂法：包括等离子体喷涂和电弧喷涂[11,12]。采用这两种方法制备连续纤维增强Ti/Al3Ti层状复合材料时，首先将基体放入到高温的火中熔融。然后在喷涂过程中，将液滴沉积并且滴在纤维表面使其湿润，这样便得到了预制的金属间化合物，然后将其切割加工成适当的尺寸，最后将钛金属箔与金属间化合物交替相间排列，在真空热压技术下复合成形，如图1.3.2所示。
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图1.3.2 热喷涂法示意图
1.3.3 粉末冶金法
粉末冶金法是将增强纤维引入到基体内，它的的原理也是通过高温热压烧结制备出复合材料。但是这种发法在高温热压烧结过程中会发生不同程度的界面反应，使得复合后材料的力学性能有不同程度的降低。粉末冶金法如图1.3.3所示：
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图1.3.3 粉末冶金法示意图[13]
1.3.4 物相沉积法
物相沉积法是Ti/Al系金属间化合物基复合材料最重要的制备方法。物相沉积法是将基体材料进行溅射，在纤维上均匀地涂上基体，然后将纤维材料有序排列，最后再通过真空热压烧结或热等静压法将其固结成形。具体步骤如图1.3.4所示：
目 录
第1章 绪论 3
1.1 前言 3
1.2 Ti/Al3Ti 层状复合材料的特点 3
1.3 几种制备连续纤维增强 Ti/Al3Ti 层状复合材料的方法 3
1.3.1 粉末布法 4
1.3.2 热喷涂法 4
1.3.3 粉末冶金法 5
1.3.4 物相沉积法 5
1.3.5 真空热压烧结制备纤维增强材料 5
1.4 纤维增强 Ti/Al3Ti 层状复合材料的发展现状及应用前景 6
1.4.1 纤维增强 Ti/Al3Ti 层状复合材料的发展现状 6
1.4.2 纤维增强 Ti/Al3Ti 层状复合材料应用前景及存在的问题 6
1.5 本文研究目的及主要内容 7
第2章 试验材料和试验方法 8
2.1 试验材料 8
2.1.1 原材料准备 8
2.1.2 原材料的复合制备 8
2.2试验方案 8 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
2.2.1 试验过程 8
2.2.2 试验仪器及原理 9
2.3 存在的问题及注意事项 13
2.4 本章小结 13
第3章 试验过程及结果 14
3.1 制备工艺 14
3.2 复合材料的微结构表征 15
3.2.1 金相显微镜观察 15
3.2.2 X射线衍射分析 17
3.3 复合材料的密度测试 18
3.3.1 实验法测密度 18
3.3.2 计算法测密度 18
3.4 复合材料的硬度测试 19
3.5 复合材料的室温断裂韧性测试 20
第4章 结 论 23
参考文献 24
致 谢 26
第1章 绪论
1.1 前言
在我国，由于航空航天技术的不断提高，我们国家对发动机更高更优性能的需也越来越迫切，因此发动机材料的发展与性能的优化就显得格外重要。在现代社会，发动机的材料需要向着更强更刚、更轻质性能方向发展，同时应该具有更加卓越的抗疲劳性能[1]。Ti/Al系金属间化合物基合金由于具有优良的高温比强度、比刚度、抗蠕变、抗氧化、抗燃烧以及耐磨性等等性能,在近年来国际优质材料研究中备受瞩目，但是因为Ti/Al系金属间化合物本身的长程有序结构及晶体滑移系少使得它在室温下的塑性较差、断裂韧性低、裂纹扩展速率大, 所以Ti/Al金属间化合物应用前景受限[2，3]。在70年代的后期, 研究者们利用粉末冶金与合金化技术相结合的方法制备出了Ti/Al金属间化合物合金, 至此钛铝金属间化合物的研究重新引起了人们的关注[4]。作为一种高质量的轻质新型航空航天结构材料,金属间化合物基层状复合材料Ti/Al3Ti不仅具有高温强度及优良的蠕变抗力，而且具有很高的塑性与韧性，这使得Ti/Al3Ti层状复合材料成为航空航天领域一种新型的高质量的优异性能材料[5]。
1.2 Ti/Al3Ti层状复合材料的特点
进入二十一世纪以来，科研工作者们一直致力于Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料力学性能的研究工作。大量的试验及数据分析表明：Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料的弹性模量较高而密度较低，具有优异吸能特性及较高的强度。不仅如此，研究还表明该类复合材料的屈服强度与其Ti的体积分数呈正比，而且复合材料的韧性、抗压强度等性能也受Ti层体积分数的影响。总的来说，Ti/Al3Ti金属间化合物层状复合材料由于具有良好的性能，是一种发展前途良好、发展潜力巨大的新型材料。
1.3 其它几种制备连续纤维增强 Ti/Al3Ti 层状复合材料的方法
1.3.1 粉末布法
粉末布法[10]是将润滑剂加入到粉末状基体和粘结剂混合体内，随后搅拌调制成原料浆。 当润滑剂挥发后，将原料压成薄布片状并且将其按合适的尺寸切工加工。然后将纤维缠绕在卷筒上，再涂上一层粘结剂。当纤维和粘结剂结合成纤维毡片后将其取下并加工成合适的尺寸，最后将粉末布和纤维毡片交替相间放置并在真空热压环境中烧制成复合材料。如图 1.3.1 所示：
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图1.3.1 粉末布法示意图
1.3.2 热喷涂法
热喷涂法：包括等离子体喷涂和电弧喷涂[11,12]。采用这两种方法制备连续纤维增强Ti/Al3Ti层状复合材料时，首先将基体放入到高温的火中熔融。然后在喷涂过程中，将液滴沉积并且滴在纤维表面使其湿润，这样便得到了预制的金属间化合物，然后将其切割加工成适当的尺寸，最后将钛金属箔与金属间化合物交替相间排列，在真空热压技术下复合成形，如图1.3.2所示。
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图1.3.2 热喷涂法示意图
1.3.3 粉末冶金法
粉末冶金法是将增强纤维引入到基体内，它的的原理也是通过高温热压烧结制备出复合材料。但是这种发法在高温热压烧结过程中会发生不同程度的界面反应，使得复合后材料的力学性能有不同程度的降低。粉末冶金法如图1.3.3所示：
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图1.3.3 粉末冶金法示意图[13]
1.3.4 物相沉积法
物相沉积法是Ti/Al系金属间化合物基复合材料最重要的制备方法。物相沉积法是将基体材料进行溅射，在纤维上均匀地涂上基体，然后将纤维材料有序排列，最后再通过真空热压烧结或热等静压法将其固结成形。具体步骤如图1.3.4所示：
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