sic纤维和niti纤维混合增强tial3ti层状复合材料的结构设计与制备【字数：10017】
本实验通过使用Ti板，Al板，NiTi纤维以及SiC纤维，利用箔-纤维-箔法，把原材料进行堆叠，然后再放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，控制一定的工艺路线，从而得到了SiC纤维和NiTi纤维混合增强的Ti/Al3Ti层状复合材料。然后将制备好的式样放在金相显微镜下进行观察，拍摄照片，利用X射线衍射仪对复合材料式样的相组成进行测定，并使用维氏硬度计和天平测量它的硬度和密度，结果表明，复合材料的最佳制备工艺用1小时加热到600℃，保温20min，再用10min升温到620℃，保温20min，再用10min加热到630℃，保温20min,再用10min加热到635℃，保温4h，最后用20min升温到645℃，保温2.5h后随炉冷却。在加热过程中，反应开始前2h控制压力在5MPa随后适当降低压力至2.5MPa，在大约635℃时，为了防止已经融化的Al被挤出，调节此时压力至0.5MPa。保温4~5h待反应完成后，调节压力为2MPa。维氏硬度结果表明硬度钛层在362HV，金属间化合物层在581HV。密度测试的结果表明复合材料的密度大约为3.9g/cm3。
目录
第一章 绪论 7
1.1钛铝合金的研究现状 8
1.2钛铝系二元金属间化合物 8
1.2.1 TiAl金属间化合物 8
1.2.2 Ti3Al金属间化合物 8
1.2.3 Al3Ti金属间化合物 9
1.3层片状复合材料的强化方法 9
1.4纤维增韧的机理 9
1.5纤维增强的层片状复合材料的研究现状 11
1.6本文主要内容 11
第二章 课题研究材料和研究方法 12
2.1课题研究原材料 12
2.1.1箔板材料预处理 12
2.1.2SiC纤维和NiTi纤维预处理 12
2.1.3箔纤维箔的堆叠排列 13
2.2制备SiC纤维和NiTi纤维混合增强的Ti/Al3Ti层状复合材料 13
2.3复合材料的微观结构表征和性能测试 14
2.3.1复合材料的金相组织 14
2.3.2复合材料的物相分析 14
2.3.3复合 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
材料的密度测试 15
2.3.4复合材料的硬度测试 16
2.4本章总结 17
第三章SiC纤维和NiTi纤维混合增强的Ti/Al3Ti层状复合材料的结构设计与微观结构 17
3.1复合材料的制备 17
3.2SiC纤维和NiTi纤维混合增强的Ti/Al3Ti层状复合材料的微观结构 19
3.3本章总结 23
第四章SiC纤维和NiTi纤维混合增强的Ti/Al3Ti层状复合材料的性能测试 24
4.1复合材料的硬度测试 24
4.2复合材料的密度测试 26
4.2.1排水法测密度 26
4.3本章总结 26
第五章结论 27
参考文献 28
致谢 30
绪论
目前，中国在航空航天领域做出了巨大的努力，特别是在高温结构材料的开发中，要求材料能够有更高的强度、刚度、耐热度以及轻量化。眼下我们所经常使用的Ti基材料只能满足600摄氏度以下的使用条件，从而限制了对航空航天的发展。所以找到一种在高温条件下有更好服役性能的材料迫在眉睫。
有数据指出，金属间化合物有非常良好的物理力学性能。其中钛铝系合金性能尤其突出，合金在高温条件下具有良好的比强度，比刚度，抗蠕变等性能，使其成为了有研究潜力的材料之一。在钛铝金属间化合物中，Al3Ti金属间化合物虽然具有脆性大，韧性差的性能缺点，同时也具有轻量化，高比刚度，耐氧化的优点。
上世纪开始，人们通过贝壳的仿生学结构设计了将韧性材料Ti和脆性材料Al3Ti交替结合的新型复合材料。并且这种材料在实验中也测得各项性能得到了巨大得提升，其中断裂强度是单一组元Al3Ti的五倍。同时仍然保留着Al3Ti的高温比强度、比刚度、耐氧化、质量轻等性能，极大的促进了发动机材料的发展[1]。
材料的增韧方法普遍来讲有颗粒增强、层状增强、纤维增强三种[2]。最近几年，研究人员通过把纤维增强和层状增强共同作用，进而全面提升材料的整体性能。纤维韧性大，包裹在基体中受到基体的保护，不易于产生裂纹，并且基体断裂时要克服纤维对基体的粘结力，从而增强了材料的断裂强度。根据这些理论指导，本课题采用钛箔和铝箔，SiC纤维以及NiTi纤维为原材料，制备出纤维混合增强的TI/Al3Ti层状复合材料。方法是通过将钛箔纤维铝箔交替排列，再通过真空热压烧结从而制备出复合材料。
1.1钛铝合金的研究现状
根据贝壳层片相间的结构特点，现在科学家设计了Ti/Al3Ti层状复合材料。这种材料通过韧性金属Ti和脆性金属间化合物Al3Ti的共同作用，极大的提高了材料的性能。由于Ti/Al3Ti层状复合材料在我国的航空领域上的重大发展潜力，我国也对这种层状复合材料进行了大量的研究，比如，来自中国科学院金属材料研究所的徐磊众人通过使用热轧、热压烧结的方法制备出了这种层状复合材料，并且对这类材料的扩散反应进行了深入研究[3]。北航孙彦波使用冷轧加热处理技术制备钛铝系金属间化合物复合材料板材，并且对样板进行了致密化[4]。仔细的研究了演变过程以及反应过程。但是这些研究单位都只是进行了大量的基础研究，同世界发达国家比较，我们还相差甚远。
1.2钛铝系二元金属间化合物
1.2.1 TiAl金属间化合物
在金属钛和金属铝的反应过程中，会有其他种类的生成物生成。在这里主要讨论的是TiAl金属间化合物、Ti3Al金属间化合、Al3Ti金属间化合物。至于其他的金属间化合物要么是以TiAl合金为反应物，故暂不考虑。
在钛铝系金属间化合物中生成的TiAl合金，也被叫做γ相。它的成分比较宽松，可以在一定范围内波动，其空间点阵为正方点阵，晶格参数为a=0.3976nm，c=0.4049nm。因其成分在范围内有波动，所以晶格参数也会稍微有变化。致密度比较小，大概在3.73.9g/cm3之间。TiAl金属间化合物的结合力比较强，所以它的力学性能有良好的硬度和刚度，抗蠕变行，相反它的塑性和韧性就比较差[5]。
1.2.2 Ti3Al金属间化合物
钛铝系金属间化合物还会生成Ti3Al金属间化合物，被叫做α2相。它的空间点阵为密排六方，晶格常数是a=0.5782nm，c=0.4629nm。Ti3Al可以分为有序结构和无序结构，这两种结构可以在1125摄氏度的时候发生转换。它的力学性能是有高强高刚，韧性比其他两种金属间化合物好。但是这种合金在高温环境下服役就会很差，抗氧化性和抗蠕变性等都不能满足，这就限制了Ti3Al金属间化合物的发展[6]。
1.2.3 Al3Ti金属间化合物
目录
第一章 绪论 7
1.1钛铝合金的研究现状 8
1.2钛铝系二元金属间化合物 8
1.2.1 TiAl金属间化合物 8
1.2.2 Ti3Al金属间化合物 8
1.2.3 Al3Ti金属间化合物 9
1.3层片状复合材料的强化方法 9
1.4纤维增韧的机理 9
1.5纤维增强的层片状复合材料的研究现状 11
1.6本文主要内容 11
第二章 课题研究材料和研究方法 12
2.1课题研究原材料 12
2.1.1箔板材料预处理 12
2.1.2SiC纤维和NiTi纤维预处理 12
2.1.3箔纤维箔的堆叠排列 13
2.2制备SiC纤维和NiTi纤维混合增强的Ti/Al3Ti层状复合材料 13
2.3复合材料的微观结构表征和性能测试 14
2.3.1复合材料的金相组织 14
2.3.2复合材料的物相分析 14
2.3.3复合 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
材料的密度测试 15
2.3.4复合材料的硬度测试 16
2.4本章总结 17
第三章SiC纤维和NiTi纤维混合增强的Ti/Al3Ti层状复合材料的结构设计与微观结构 17
3.1复合材料的制备 17
3.2SiC纤维和NiTi纤维混合增强的Ti/Al3Ti层状复合材料的微观结构 19
3.3本章总结 23
第四章SiC纤维和NiTi纤维混合增强的Ti/Al3Ti层状复合材料的性能测试 24
4.1复合材料的硬度测试 24
4.2复合材料的密度测试 26
4.2.1排水法测密度 26
4.3本章总结 26
第五章结论 27
参考文献 28
致谢 30
绪论
目前，中国在航空航天领域做出了巨大的努力，特别是在高温结构材料的开发中，要求材料能够有更高的强度、刚度、耐热度以及轻量化。眼下我们所经常使用的Ti基材料只能满足600摄氏度以下的使用条件，从而限制了对航空航天的发展。所以找到一种在高温条件下有更好服役性能的材料迫在眉睫。
有数据指出，金属间化合物有非常良好的物理力学性能。其中钛铝系合金性能尤其突出，合金在高温条件下具有良好的比强度，比刚度，抗蠕变等性能，使其成为了有研究潜力的材料之一。在钛铝金属间化合物中，Al3Ti金属间化合物虽然具有脆性大，韧性差的性能缺点，同时也具有轻量化，高比刚度，耐氧化的优点。
上世纪开始，人们通过贝壳的仿生学结构设计了将韧性材料Ti和脆性材料Al3Ti交替结合的新型复合材料。并且这种材料在实验中也测得各项性能得到了巨大得提升，其中断裂强度是单一组元Al3Ti的五倍。同时仍然保留着Al3Ti的高温比强度、比刚度、耐氧化、质量轻等性能，极大的促进了发动机材料的发展[1]。
材料的增韧方法普遍来讲有颗粒增强、层状增强、纤维增强三种[2]。最近几年，研究人员通过把纤维增强和层状增强共同作用，进而全面提升材料的整体性能。纤维韧性大，包裹在基体中受到基体的保护，不易于产生裂纹，并且基体断裂时要克服纤维对基体的粘结力，从而增强了材料的断裂强度。根据这些理论指导，本课题采用钛箔和铝箔，SiC纤维以及NiTi纤维为原材料，制备出纤维混合增强的TI/Al3Ti层状复合材料。方法是通过将钛箔纤维铝箔交替排列，再通过真空热压烧结从而制备出复合材料。
1.1钛铝合金的研究现状
根据贝壳层片相间的结构特点，现在科学家设计了Ti/Al3Ti层状复合材料。这种材料通过韧性金属Ti和脆性金属间化合物Al3Ti的共同作用，极大的提高了材料的性能。由于Ti/Al3Ti层状复合材料在我国的航空领域上的重大发展潜力，我国也对这种层状复合材料进行了大量的研究，比如，来自中国科学院金属材料研究所的徐磊众人通过使用热轧、热压烧结的方法制备出了这种层状复合材料，并且对这类材料的扩散反应进行了深入研究[3]。北航孙彦波使用冷轧加热处理技术制备钛铝系金属间化合物复合材料板材，并且对样板进行了致密化[4]。仔细的研究了演变过程以及反应过程。但是这些研究单位都只是进行了大量的基础研究，同世界发达国家比较，我们还相差甚远。
1.2钛铝系二元金属间化合物
1.2.1 TiAl金属间化合物
在金属钛和金属铝的反应过程中，会有其他种类的生成物生成。在这里主要讨论的是TiAl金属间化合物、Ti3Al金属间化合、Al3Ti金属间化合物。至于其他的金属间化合物要么是以TiAl合金为反应物，故暂不考虑。
在钛铝系金属间化合物中生成的TiAl合金，也被叫做γ相。它的成分比较宽松，可以在一定范围内波动，其空间点阵为正方点阵，晶格参数为a=0.3976nm，c=0.4049nm。因其成分在范围内有波动，所以晶格参数也会稍微有变化。致密度比较小，大概在3.73.9g/cm3之间。TiAl金属间化合物的结合力比较强，所以它的力学性能有良好的硬度和刚度，抗蠕变行，相反它的塑性和韧性就比较差[5]。
1.2.2 Ti3Al金属间化合物
钛铝系金属间化合物还会生成Ti3Al金属间化合物，被叫做α2相。它的空间点阵为密排六方，晶格常数是a=0.5782nm，c=0.4629nm。Ti3Al可以分为有序结构和无序结构，这两种结构可以在1125摄氏度的时候发生转换。它的力学性能是有高强高刚，韧性比其他两种金属间化合物好。但是这种合金在高温环境下服役就会很差，抗氧化性和抗蠕变性等都不能满足，这就限制了Ti3Al金属间化合物的发展[6]。
1.2.3 Al3Ti金属间化合物
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