Cr、Nb掺杂原位合成Al2O3TiAl复合材料研究

Cr、Nb掺杂原位合成Al2O3TiAl复合材料研究 跨压料技大学论文 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目: ,,、,,掺杂原位合成,,,,,,,认,复合材料的研究 学科门类:工学 一级学科:材料科学与工程 培养单位:材料科学与工程学院 硕士生: 郭晓波 导 师: 王芬 ,,, ,年,月，, ,，,, ,,,,,,,，, ,, ,,,,,,,认, ,,,,,,，,,, ,, ,,,，,, ,,,,, ,, , ,,,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,, ,;,,,;, ,,, ,,;,,,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,？,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,, ,, ,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,, ,;,,,;, ,,,,,, ,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,—,,,—,,,,( ,,,，,,, , ,,、,,掺杂原位合成,,,,,,,,,，复合材料的研究 摘要 ,,,，金属间化合物以其特有的密度相对较小、耐磨性能优异、比强度以及比模量高和高温性能好等优点，使其在航空航天以及汽车构件等应用中具有很好的前景。目前，铸态,,—,,金属间化合物存在室温塑性和断裂韧性低以及高温强度和抗氧化性不足等问题，乃是其广泛应用的主要障碍。,,(,,金属间化合物的合成方法及制备工艺决定着材料的力学性能和内部组织结构，材料复合化及元素微合金化，都能起到改善晶粒尺寸、优化材料性能的作用。 在,,,,基体材料中引入第二相能够有效提高材料的综合性能。而,,,,,是一种具备了多项优异性能的陶瓷体，十分适合用来作为增强增韧,,,,金属间化合 ,,一,,,,体系中添加,,,,物的增强相。目前已有研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明通过在,,— ,、,,,,,、,,,,,、,,,,,、,,,,,、,,,,,、,,,,,等金属氧化物原位合成,,,,,,,,,,复合材料能够明显提高其综合性能，而利用原位反应实现双相及多相掺杂合成,,,,,,,,,，复合材料还有待研究。 本文采用原位热压合成工艺，在,,(,,(,,,,体系中同时添加,,,,,、,,,,,，研究,,、,,双相掺杂强韧化,,,,,,,,,,复合材料。借助示差扫描量热法(,,,)、,(射线衍射(,,,)、能谱分析(,,,)及扫描电镜(,,,)等手段，研究了,,—,，—,,,,一,,,,,一,,,,,体系的反应过程，分析了同时添加,,,,,、,,,,,对,,,,,,,,,，复合材料微观组织结构及,,,,,分布的影响;通过力学性能测试，研究双相掺杂对材料力学性能的影响以及强韧化机理。 ,,(,，(,,,,(,,,,,(,,,,,体系经, ,,,?烧结保温,,后，其合成产物经过,,,、,,,测试显示，,,,,,、,,,,,双相掺杂制备的,,,,,,,,,,复合材料，它的物相主要有)，(,,,,，,,,,,,,，以及,,,,,、,,,,,、,,,,,相等。,,,,,、,,,,,的掺入，使得基体中,—,,,,相和仅,(,,,,,相的比例发生变化，其中,(,,,,相的含量相对减少，而及,(,,,,,相的含量相对增加。同时，,,,,,颗粒更加均匀地分布于基体晶界处，并使基体晶粒得到了细化，,,,,,颗粒小于,,,,。 力学性能测试表明:产物的密度和维氏硬度随,,,,,、,,,,,掺杂量的增大而增大;抗弯强度和断裂韧性呈峰值变化。在,,(,,,，(,,(,,,,(,(,,,,,,(,(,,,,,,(,,,,,,(质量分数)体系中，当,,,,,掺杂量为,(,,,,时，达到最大，分别为,,,(,,,,,和,(,,,,,?,“,。在,,(,,,,一,,。,,,,一,(,,,,,(,(,,, ,,,(,,,,,,(质量分数)体系中，当,,,,,掺杂量为,,,,时，达到最大，分别为,,,(,,,,,和,(,,,,,?,,,,。从而得出最佳添加量分别是,,,,,,,,,和,(,,,,,,,,，。,,,测试断口形貌表明，材料主要的断裂方式是准解理断裂和沿晶断裂，同时有少量的穿晶断裂，表现出脆性断裂方式;晶粒细化、第二相颗粒增韧和微合金化是材料的主要强韧化机制。关键词: ,,,,,,,,,,，双相掺杂，原位反应，微合金化，显微组织，力学性能 ，, ,，,, ,,,,,,,，, ,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,，,,, ,, ,,,，,, ,, ,,, ,, ,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,; ;,,,,,,, ,,, ,,,, ,,,,,,;,, ,, ,,,,,;,,,,,,,,;, ,, ,,,,,,,;, ,,, ,,,,,,,,,, ;,,,,,,,,, ,, ,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,;, ,,，,,,？,, ,,,,,,,，,,;,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,;,，,,,,,,,;,,,; ,,,,,,,, ,,, ,,,;,,,; ,,,,,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,(,,, ,,，,， ,,,,,,,,,,,,;, ,,,,,,, ,,,, ,,,,,;,,,,,, ,,;,,, ;,,,, ;,,,,,, ,,,,,，,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,;,,,,,,， ,,,,,,;,,,,,,,,,, ,,, ,,,,;,,,;, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,;, ,,,,, ,,,?(,,;,,,,,;,,,, ,,, ,,,,,,,,,, ,, , ,,, ,,,,,,,,,,,,; ;,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,, ,,,;,,, ,,, ,,;,,,？,,,(,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,, ,,;,,,,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,;,,,, ,,,,,,;,,,, ,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,, ,,, ;,,,, ,,,,,,,,;, ,, ,,, ,,,,,,,,,( ，, ,,, ,,,,一,,,,, ,,,,,,,,，,,, ,,,,,,,;,,,, ,, ,,, ,,;,,, ,,,,,;,, ,,,,;,,,,,, ,,,,,,, ,,, ;,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,;, ,, ,,, ,,,,,,,,(,, ,,,,, ;,,,,,; ,,, , ,,,,,, ,, ,,;,,,,,, ,,,,,,,,,,，,,,;, ,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,, ,,,, ,, ,, ,,,,,;, , ,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,;;,,,,,,,,(,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,, ,,,, 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及意义………………………………………………,,第二章实验方法…………………………………………………………………,, ,(,实验原料及实验仪器……………………………………………………(,, ,(,(,实验原料……………………………………………………………,, ,(,(,主要实验仪器………………………………………………………,, ,(,热压烧结(,,)工艺………………………………………………………(,, ,(,反应过程热分析…………………………………………………………, , ,(,产物组成及微观结构分析………………………………………………(,, ,(,(,物相检测…………………………………………………………一,, ,(,(,扫描显微分 析……………………………………………………((,, ,(,物理及力学性能测试……………? 保?,(,(,密度的测试………………………………………………………(,, ,(,,抗弯强度的测试…………………………………………………一,, ,(,(,硬度的测试………………………………………………………(,, ,(,(,断裂韧性的测试……………………………………………………,,第三章,,、,,掺杂原位合成,,,,,,,,,,复合材料……………………………, , ,(,复合材料的制备过程……………………………………………………,, ,(,(,配比设计…………………………………………………………一,, ,(,(,试样制备及工艺过程………………………………………………,, ,(,原位自生,,,,含量对复合材料的影响…………………………………,, ,(,(,原位自生,,,,含量对,,,,,,,,,，复合材料物相组成的影响…(,, ,(,(,原位自生,,,,含量对,,,,,,,,,,复合材料物理性能的影响…(,, ,(, ,(,(,烧成温度对复合材料物相组成及物理性能的影响………………,,,,,,,掺杂,,,,,,,,,,复合材料反应过程分 析…………………………,, ,(,(, ,,,分 析……………………………………………………………………………一,, ,,,分析…………………………………………………………(,, ,(,(, ,(, ,(,(,复合材料体系反应过程分析………………………………………,,,,,,,掺杂复合材料的组成及微观结构分析…………………………,…,, ,(,(, ,,,,,掺杂量对,,、,,掺杂复合材料物相组成的影响…………,, ,(,(, ,,,,,掺杂量对,,、,,掺杂复合材料显微结构的影响…………,, ,(,本章小 结…………………………………………………………………, ,第四章复合材料物理性能分析及强韧化机制…………………………………(,, ,(, ,,,,,、,,,,,掺杂量对复合材料物理性能的影响……………………一,, ,(,(, ,,,,,掺杂量对复合材料物理性能的影响………………………(,, ,(,(, ,,,,,掺杂量对复合材料物理性能的影响………………………一,, ,(,复合材料的断裂机理及强韧化机 制……………………………………(,, ,(,(,复合材料的断裂机理……………………………………………((,, ,(,(,复合材料的强韧化机制…………………………………………一,, ,(,本章小 结…………………………………………………………………,,第五章结论与展望………………………………………………………………,, ,(,结论……………………………………………………………………………………………((,, ,(,展 望……………………………………………………………………………………………((,,参考文 献………………(((………………………………………………………(,,致,射……………………………………………………………………………………………………((,,攻读硕士学位期间发表的学术论 文……………………………………………((,,原创性声明及关于学位论文使用授权的声明……………………………………,, ,,、,,掺杂原位合成,,,,,,,,,,复合材料的研究第一章绪论,。,引言 航空航天领域的先进材料应具备四个特性，即轻质、高强度、高刚度和耐热性，以此来满足提高动力机械性能，节约能源等需要，因而是高温结构材料开发的永恒主题【,】。基于航空航天领域的特殊工作环境，新型耐热材料逐渐成为人们开发的热点，航空飞机在飞行时，由于其超高的速度，使其机身在空气中的摩擦加剧，将产生极高的温度，因而都要求有性能更好耐热材料，同时提高它们工作效率的基本条件就是要提高其工作温度，新型耐热材料优异的耐高温性能可以满足火箭发动机等各种机械的需求【,】。常用的传统高温材料为铁基、钴基和镍基合金，为提高其性能进行了固溶强化、第二相强化和晶界强化等方法，但这些增强效果会随温度升高而降低，这些条件限制了传统耐热材料的使用温度【,】。同时，合金较高的密度，不利于同时满足提高其高温强度和结构减重的要求，因此，金属间化合物作为研究人员寻求突破的着眼点，成为当今研究的重点方向【,】 , 金属间化合物的定义是指金属元素之间、金属元素与类金属元素之间所形成的化合物，其各项力学性能介于陶瓷与金属之间;金属间化合物的特点是各元素间具有化学计量组成的组分(或近似化学计量比的成分范围内)，同时，各项成分又可在一定范围内发生变化，从而形成以化合物为基体的固熔体【,,。金属间化合物由金属键和共价键共存，所以兼具这两者的特性。其中的共价键由于其化学键能量高、稳定性好，导致它具有熔点高，硬度高的优点【,„, ,】;除此之外，在金属间化合物中由于原子键的结合力比较强，扩散速度小，这就使得蠕变激活的能力得到提升，从而导致金属间化合物的抗蠕变性能很强【,?,,„,,,。将两种金属单质熔融然后使其以物理形式组成新的化合物时，因为新的化合物的内部结构与原来构成它的两种金属单质的内部微观结构的不同，所以这就很容易形成有序的超点阵结构【, ,。。 纵观当今世界，各种抗高温结构材料正在火热研究之中。如陶瓷基复合材料、金属基复合材料等。其中，,认,基合金是最接近实用性和最有推广潜力的高温结构材料〔,,，,,,。,,,,基合金的性能优异，其弹性模量很高、韧性极强、密度较低以及高温强度良好、抗蠕变和抗氧化的能力强，从而全世界科研工作者一致认为它是航空航天飞行器发展用的理想材料，同时在制造高温发动机叶栅方面也有很好的应用前景【, ,。,,】。但是眼下还没有实现实际应用，综合分析其原因就是,,,,基合金化合物在室温下的脆性。室温下的脆性主要与其结构密切相关，主要有以下几个方面的原因:一，有序结构的对称性不好，从而容易导致变形行为，从而造成脆性〔,,，,,〕;二，强健之间结合太紧密，也会造成脆性〔,,,,,】; 陕西科技大学硕士学位论文其三，共价键呈一定方向性的结合，会使得材料内部发生位错运动，此时其内部承受了很大的剪切力而且方向还不同，使材料表现出脆性【,,，,,，,,,,,】。当前，解决这一问题的途径主要有:形变热处理、特殊热处理、合金化等，这些方法主要是细化其内部显微组织的。现在，对于部分特殊的航空部件的一些要求(持久性、抗蠕变力和高温强度)，简单的金属间化合物还无法满足。为了获得物理性能更好的同时保持基体低密度的特性，金属间化合物基复合材料适应时机而产生,,,。,,】。金属间化合物基复材料(，,,,,,,,,,,; ,,,,,,,,,,,,,,,,，，,,,)指的就是将金属间化合物与陶瓷颗粒、 纤维组织等材料复合在一起，去改善材料的比强度、比刚度、抗蠕变性能等【,,，,,,。 将适当的亚微米级的金属氧化物引入到合金化合物中均匀地分布，从而强化化合物的方法,,,做氧化物弥散强化(,,,，,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,)【,,瑚】。在合金化合物里边，基体和分布在里边的这些氧化物颗粒一般都不会是共格的，但是这些氧化物颗粒却会阻碍晶格中间的位错运动，从而起到强化基体的作用【,,?,,，,,,,,。除此之外，在合金基体之中的金属氧化物一般都有良好的化学稳定性，即使是在高温的环境中，它的化学稳定性也不会降低，也就是说制成的材料一般不容易变软〔,,((,,】，不会出现粗化现象〔,,，,,，,,】，不会溶解于在基体之,,〔,,,，正是因为如此导致氧化物在高温下弥散强化合金的效果更为明显【,,,。 由于受界面情况的影响，复合材料的机械性不够良好，为了得到更好的性能，研究者通过在复合材料内部原位自生增强体来进行研究,,,。运用此法生成的增强体与基体在热力学和动力学上处于的平衡状态，从而减弱或避免界面反应，以此使得材料具有更好好的性能【,,，,,。,,】。除此之外，剧烈的铝热反应会在金属和金属氧化物之间发生，在此过程中会放出大量的反应热，这些热量会推动体系的反应提前进行，从而使得材料可以在较低温度下达到致密烧结【,,,，与此同时在反应过程中施加合适的压力可以明显改善材料的致密性„,,,。 金属间化合物中以金属(,,、,,、,,、,,等)作为基体相【,,】，通过原位自生,,,,,颗粒来作为第二增强相，由于这两相之间可以生成相互交错的网状结构，从而能够明显改善合金化合物的机械性能，因此可以通过此法得到性能更高的复合材料，可以看出合金化合物在结构材料行业中具有极大的前景〔,,，,,〕。,,,，和,,,,,都是铝的化合物，两者的热膨胀系数相差很近，这样在相容性和化学稳定性上就没有缺陷【,”引，所以，在方程式,，，,,,，，,,,,，,，，,，对应的铝热反应里，,认,纤维强韧化和原位自生,,,,,颗粒都具有很大的研究价值〔,,,,,】。 鉴于以上原因，本研究以多相复合为根本思想，以,,(,,—,,,,体系作为基础反应体系，以添加,,,,,、?,,做辅助热源，利用以上三种氧化物的铝热反应，原位自生,,,,,弥散颗粒来强化,,,,基体，使得基体与增强相彼此交错，形成良好的内部网状结构，通 ,,、,,掺杂原位合成,,,,,,,?,,,复合材料的研究过这种方法所制的的复合材料会皆具金属间化合物与陶瓷相的特性，得到性能更好的含,,和;,相的,,,,,不认,复合材料。,(,金属间化合物的发展 在金属间化合物的基础上制备的金属基复合材料，其早期主要是因为在航天航空领域的需求开始的，从此以后进入了快速发展的时期，从而带动了它在汽车冶金等其他行业的发展，让人们充分认识到金属间化合物美好的使用前景，导致世界各地都开始狂热的研究这一新型复合材料。金属间化合物按使用目的分为两类，结构材料与功能材料【,,弼】。从二十世纪的五十年代初，科研工作者已经在金属间化合物的研究上开始新的探索，经过很长很长的研究之路，终于功夫不负有心人，金属间化合物渐渐可以在新型结构材料中逐渐实用化脚】。金属间化合物按基体的不同分为硅化物、铝化物以及,,,,,相，其中第一批的金属间化合物钛铝化合物和镍铝化合物已经进行了很深入的研究，然后就是铁铝基化合物，除此之外，还有一些含有,,、,,以及,,等难熔的金属间化合物复合材料【,,，,,】。 温度的升高对金属间化合物的强度的影响并不一 定是降低，相反却会增强，除此之外，材料所具有的良好抗氧化性以及低密度等优异的性能也十分满足航天航空工业所需求的新型高温结钩材料【,,,。这也让很多的材料研究者认识到在金属间化合物的基础上发展两相或多相合金乃是一条开发这种新型结构材料的必经之路，这以发现使得材料的研究方向从单一化向多元化进行发展〔,,,。在多组分上改变其组合从而优化出一个良好的整体性能，以此得到在各组分单独作用下没有的优良综合性能【,,,。因此，材料研究人员对金属间化合物这一研究热点越来越重视,,,】。,(, ,,,,,系金属间化合物,(,(, ,,(,，系金属间化合物的晶体结构 金属间化合物具有与众不同的化学概念，因为它的结合形式是金属键，所以它有金属的各种性能，比如金属的导电性、具有金属光泽和导热性以及金属的延展性等【,,,。金属间化合物在微观结构上与构成它的两种金属单质的晶体结构在形式上是有差异的，它的结构是有序的超点阵结构【,,,。在合金化合物的大家族里，它典型的长程有序结构和三种常见的金属主要晶体结构十分相似，比如面心立方(,,)、体心立方(,,)和密排六方(,,)【,,】。,,,,,和,,,,等四研究人员通过第一原理对按化学配比的,,,,,化合物和,,,,化合物在,,时的能量稳定性进行了准确的计算，最终证明出,,,,的晶体结构是,,,型的，而,,,,,晶体结构是,,,,型的，,,,,,晶体结构是,,,,型的有序结构【,,】，这三种晶体结构可以在图,(,中的(,)，(,)，(;)中看到【,,】。这些金属 ,所示【,,,。 陕西科技大学硕士学间化合物的物理性能以及结构特点如表,— 位论文 (,),认,相 ,(,认,属于,,,,,,,,,,,类的金属问化合物，它最明显的特征就是不管在什么温度下它的固态都是有序状态，同时在一定范围内它的成分还可以变化【,,。,,。它呈现的,,。结构(图,(,,所示)是有序的面心四方结构，这是一种脆性的金属间化合物;晶格参数是,,,(,,,,,，;,,(,,,,,，;,,,,(,,,，随着铝含量的增加，;,,的值在,(,,(,(,,之间变化;在,,,,,,点阵单胞里含有,个原子，分别是,个,,原子和,个,,原子，， ,(,认,密度是,。,,,,;,,，较,,(,,,,,的密度(,(,,,;,,)还低，它的显微硬度是,,,(,,,,,,,,;在室温下,(,认,的杨氏模量是, ,,,,,，它的剪切模量是,,,,,，而泊松比是,(,,;而它的组成范围相对比较大(,, ,,,(,,(,,,,,,)，能够稳定的存在于熔点(,,,,?)以下【, ,,。,认,合金的热膨胀系数在钛合金和镍基超合金之间，因此它能够和目前发动机中的其它材料相匹配;此合金还有一个明显特点就是它有镍基合金两倍的高导热系数〔,,,,,,。它的密度小、膨胀率低以及热导率高能够有效减少燃气涡轮服役部件的热应力，从而降低其热疲劳损坏速度;,认,基合金因为拥具有密度小、弹性模量高和高温强度良好以及抗蠕变和抗氧化能力强等特性，使其能够完全替代,,基高温合金在航空、航天发动机的高温部件中的应用,,,,,,,。 纵然,—,认,的优点很多，但它也存在很大的缺点:室温塑性与韧性差，造成脆性的主要原因是晶体结构本?硭 斐傻摹荆福场俊, 酥 猓 匀希斓慕峁故怯行虻模蹋保俺 阏蠼峁梗 淮硇窘峁垢丛樱 苣盐淮硪贫 佣 贾率椅卵?