热处理对tial3ti层状复合材料组织和性能的影响【字数：12567】
摘 要新型层状复合材料Ti -Al3Ti是以金属间化合物Al3Ti为基体，加入韧性材料Ti来增强的层状复合材料。这种新型复合材料采用自然界贝壳结构的仿生学设计，其利用较小层间距和多界面效应，通过尽量减小材料的力学性能对原始裂纹敏感性的原理，从而使该材料优化成为一种对裂纹缺陷不太敏感的材料。这种材料具有低密度、高强度、高比模量、高韧性等优异性能，未来有可能在地面轻型装甲车、空间碎片超高速碰撞防护以及其他先进武器装备的防护等领域获得广泛应用。本研究以Ti板、Al板为原料，通过改变不同的工艺参数，采用真空热压烧结工艺制备出金属间化合物基层状复合材料。同时，对不同试样分别进行900℃、1050℃、1200℃的热处理，并将热处理后的试样与原始试样进行对比。利用金相显微镜对制备出的复合材料试样进行了组织、成分及微观结构分析；通过显微硬度仪、万能试验机对复合材料试样进行了显微硬度和压缩强度等性能测试。
目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题研究的意义和背景 1
1.2 层状材料的发展 1
1.3 层状材料的制备方法 3
1.4 金属间化合物 3
1.4.1 Al?Ti金属间化合物 4
1.4.2 Ti3Al 金属间化合物 4
1.4.3 TiAl 金属间化合物 5
1.5 本章小结 6
第2章 实验部分 7
2.1 实验材料的准备 7
2.1.1 Ti板与Al板的切割 7
2.1.2 Ti板与Al板的打磨去氧化 7
2.1.3 Ti板与Al板的清洗干燥与叠加 7
2.2实验方案 7
2.2.1 复合材料的制备 7
2.2.2 复合材料的热处理 8
2.2.3 复合材料的金相观察 9
2.2.4复合材料的硬度测试 11
2.2.5复合材料的压缩性能测试 12
2.2.6复合材料的XRD测定 12
第3章 TiAl3Ti层状复合材料的微观表征 15
3.1复合材料的体积分数测试 15
3.2 复合材料的密度测试 15
3.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
复合材料的金相分析 16
3.3.1复合材料热处理后的宏观形貌 16
3.3.2 900℃热处理后的微观形貌 17
3.3.3 1050℃热处理后的微观形貌 18
3.3.4 1200℃热处理后的微观形貌 19
3.4 TiAl3Ti的制备工艺 19
第4章 TiAl3Ti层状复合材料的力学性能 22
4.1 硬度测试 22
4.2 压缩性能测试 26
4.3 TiAl3Ti层状复合材料的断裂机制 28
结 论 29
参考文献 30
致 谢 31
第1章 绪论
1.1 课题研究的意义和背景
科学家根据天然贝壳这种生物材料的强韧化原理研究出TiAl?Ti，一种新型轻质的复合材料，其高模量、低密度、和高强度等优秀特点，吸引来现在国内外材料行业的眼球。然而由于Al3Ti这种化合物在低温下的塑韧性能较差，因此目前对此材料的研究还相对较少，但是它的较好的断裂韧性以及较抗高温氧化性能备受青睐，因此在未来具有较大的研究空间和研究前景。
近年来，人们为了利用Al?Ti的各种优异的性能，开始研发高强度钛合金增强基TiAl?Ti的层状复合材料。二十世纪九十年代中期，美国纽约的奥尔巴尼研究中心（Albany Research Center）通过使用一种真空烧结的方法提出来这种新型复合材料—金属间化合物基层状复合材料 TiAl?Ti。在本世纪初期，位于美国加州圣地亚哥市的加州大学圣地亚哥分校（University of California, San diego）通过使用无真空烧结这种新的专利技术，将这种新型复合材料的成本降低许多，从而使这种材料达到了商用化的要求。本世纪二十年代，加州大学圣地亚哥分校和 SolidicaInc.公司就 TiAl?Ti这种新型复合材料达成协作，双方把圣地亚哥大学采用的超声波制备技术和SolidicaInc.公司使用的无真空烧结技术互相借鉴学习，使性能和更加优异、尺寸更大的金属间化合物层状复合材料TiAl?Ti得以制备出来，从而使这种新型材料有更广阔的应用空间和更大的应用价值。加入金属间化合物使这种复合材料的抗蠕变性能具有很好地改善并且在高温下也具有更好的强度，又由于金属Ti韧性相较好，加入Ti降低了该复合材料的脆性，增强韧性。金属间化合物基层状复合材料 TiAl?Ti的力学性能较普通材料更好，也拥有更强大的吸收冲击功的能力，这都得益于其较为特别的失效形式和独特的叠层结构。
因此，钛合金增强基TiAl3Ti除了用作高温材料之外，国内外许多科学家正在努力寻求将这种新型层状复合材料应用在航天宇宙和军用车辆装甲防护等领域。
1.2 层状材料的发展
最近二十年，社会经济快速发展，科学技术不断进步，由于单体材料自身的局限性，导致其在很多生产生活中受到较大限制，在一定程度上已经无法满足各种用户的不同使用要求。相比较而言，叠层材料高模量、高强度、轻质量，即便是在较高温度下也能保持良好的性能，因此，新型层状材料更加广泛地被考虑用作高温、高硬度或其它性能方面要求较高的材料，层状材料凭借其叠层结构这一特别优势，将受到越来越多材料领域研究人员的青睐。
当前，工业生产对材料的各种特殊性能要求越来越多，因而，广大研究人员始终致力于通过各种微观结构设计来改善材料的塑性及韧性，同时又不损害材料原来的强度及其他优异性能。Clegg等人通过在材料中增加软质层来改变脆性材料的性能，提高材料韧性的创举为材料领域提高材料韧性做出了里程碑的贡献。
当前，世界各个材料研究大国主要研究以下几种层状复合材料：有着较长应用历史的金属金属层状材料、金属陶瓷层状材料、金属金属间化合物层状材料以及新型的金属高分子层状材料和金属高分子层状材料、陶瓷陶瓷/高分子层状材料。层状金属基复合材料是采用一些特定技术将两个及以上性能存在一定差异的金属利用冶金结合作用而制备出的新型复合材料，其整体性能优于它的单体材料性能。
表1.1 TiAl合金的性能
性能
Ti?Al
TiAl
Al?Ti
目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题研究的意义和背景 1
1.2 层状材料的发展 1
1.3 层状材料的制备方法 3
1.4 金属间化合物 3
1.4.1 Al?Ti金属间化合物 4
1.4.2 Ti3Al 金属间化合物 4
1.4.3 TiAl 金属间化合物 5
1.5 本章小结 6
第2章 实验部分 7
2.1 实验材料的准备 7
2.1.1 Ti板与Al板的切割 7
2.1.2 Ti板与Al板的打磨去氧化 7
2.1.3 Ti板与Al板的清洗干燥与叠加 7
2.2实验方案 7
2.2.1 复合材料的制备 7
2.2.2 复合材料的热处理 8
2.2.3 复合材料的金相观察 9
2.2.4复合材料的硬度测试 11
2.2.5复合材料的压缩性能测试 12
2.2.6复合材料的XRD测定 12
第3章 TiAl3Ti层状复合材料的微观表征 15
3.1复合材料的体积分数测试 15
3.2 复合材料的密度测试 15
3.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
复合材料的金相分析 16
3.3.1复合材料热处理后的宏观形貌 16
3.3.2 900℃热处理后的微观形貌 17
3.3.3 1050℃热处理后的微观形貌 18
3.3.4 1200℃热处理后的微观形貌 19
3.4 TiAl3Ti的制备工艺 19
第4章 TiAl3Ti层状复合材料的力学性能 22
4.1 硬度测试 22
4.2 压缩性能测试 26
4.3 TiAl3Ti层状复合材料的断裂机制 28
结 论 29
参考文献 30
致 谢 31
第1章 绪论
1.1 课题研究的意义和背景
科学家根据天然贝壳这种生物材料的强韧化原理研究出TiAl?Ti，一种新型轻质的复合材料，其高模量、低密度、和高强度等优秀特点，吸引来现在国内外材料行业的眼球。然而由于Al3Ti这种化合物在低温下的塑韧性能较差，因此目前对此材料的研究还相对较少，但是它的较好的断裂韧性以及较抗高温氧化性能备受青睐，因此在未来具有较大的研究空间和研究前景。
近年来，人们为了利用Al?Ti的各种优异的性能，开始研发高强度钛合金增强基TiAl?Ti的层状复合材料。二十世纪九十年代中期，美国纽约的奥尔巴尼研究中心（Albany Research Center）通过使用一种真空烧结的方法提出来这种新型复合材料—金属间化合物基层状复合材料 TiAl?Ti。在本世纪初期，位于美国加州圣地亚哥市的加州大学圣地亚哥分校（University of California, San diego）通过使用无真空烧结这种新的专利技术，将这种新型复合材料的成本降低许多，从而使这种材料达到了商用化的要求。本世纪二十年代，加州大学圣地亚哥分校和 SolidicaInc.公司就 TiAl?Ti这种新型复合材料达成协作，双方把圣地亚哥大学采用的超声波制备技术和SolidicaInc.公司使用的无真空烧结技术互相借鉴学习，使性能和更加优异、尺寸更大的金属间化合物层状复合材料TiAl?Ti得以制备出来，从而使这种新型材料有更广阔的应用空间和更大的应用价值。加入金属间化合物使这种复合材料的抗蠕变性能具有很好地改善并且在高温下也具有更好的强度，又由于金属Ti韧性相较好，加入Ti降低了该复合材料的脆性，增强韧性。金属间化合物基层状复合材料 TiAl?Ti的力学性能较普通材料更好，也拥有更强大的吸收冲击功的能力，这都得益于其较为特别的失效形式和独特的叠层结构。
因此，钛合金增强基TiAl3Ti除了用作高温材料之外，国内外许多科学家正在努力寻求将这种新型层状复合材料应用在航天宇宙和军用车辆装甲防护等领域。
1.2 层状材料的发展
最近二十年，社会经济快速发展，科学技术不断进步，由于单体材料自身的局限性，导致其在很多生产生活中受到较大限制，在一定程度上已经无法满足各种用户的不同使用要求。相比较而言，叠层材料高模量、高强度、轻质量，即便是在较高温度下也能保持良好的性能，因此，新型层状材料更加广泛地被考虑用作高温、高硬度或其它性能方面要求较高的材料，层状材料凭借其叠层结构这一特别优势，将受到越来越多材料领域研究人员的青睐。
当前，工业生产对材料的各种特殊性能要求越来越多，因而，广大研究人员始终致力于通过各种微观结构设计来改善材料的塑性及韧性，同时又不损害材料原来的强度及其他优异性能。Clegg等人通过在材料中增加软质层来改变脆性材料的性能，提高材料韧性的创举为材料领域提高材料韧性做出了里程碑的贡献。
当前，世界各个材料研究大国主要研究以下几种层状复合材料：有着较长应用历史的金属金属层状材料、金属陶瓷层状材料、金属金属间化合物层状材料以及新型的金属高分子层状材料和金属高分子层状材料、陶瓷陶瓷/高分子层状材料。层状金属基复合材料是采用一些特定技术将两个及以上性能存在一定差异的金属利用冶金结合作用而制备出的新型复合材料，其整体性能优于它的单体材料性能。
表1.1 TiAl合金的性能
性能
Ti?Al
TiAl
Al?Ti
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