原位自生（TiBw+TiCp）/Ti制备及TiCp尺寸对复合材料性能影响

论文摘要

本文采用反应热压法基于Ti-B4C-C系分别在不同温度下制备了TiB晶须（TiBw）与TiC颗粒（TiCp）混杂增强的钛基复合材料,其中增强体的总体积分数为10%,TiBw与TiCp的体积比为1:1。采用DSC方法分析了热压烧结Ti粉、B4C粉、C粉制备钛基复合材料的可行性。采用XRD、SEM、TEM等方法对（TiBw+TiCp）/Ti复合材料的显微组织进行了研究。测试了复合材料的室温拉伸性能、高温拉伸性能,解释了（TiBw+TiCp）/Ti复合材料的混杂强化机理。最后在室温、无润滑条件下,测试了复合材料的摩擦磨损性能,并对复合材料的磨损机制进行了探讨。热力学分析和DSC实验结果表明,可以基于Ti-B4C-C反应体系,利用Ti-B4C与Ti-C之间的放热反应制备原位自生TiBw与TiCp混杂增强的钛基复合材料,并通过控制反应温度来调节TiCp的尺寸。微观组织分析表明,复合材料中的TiB为棒状晶须,而TiC为等轴状或近似等轴状颗粒,两种增强体均匀地分布在基体中。由Ti-B4C系原位自生的TiBw与TiCp之间存在共生现象。力学分析结果表明,同未增强的纯钛基体相比,复合材料的硬度、抗拉强度有了很大的提高,但延伸率大幅下降。1100℃下制备的复合材料具有最佳增强效果,此种复合材料的室温抗拉强度比纯钛基体提高了47.6%。在550℃、600℃和650℃下,1100℃下制备的复合材料都具有最高的抗拉强度,分别比纯钛基体提高了83%、45.9%和57.9%。在高温下复合材料也具有良好的塑性。TiBw与TiCp混杂增强钛基复合材料的强化机制主要有载荷传递机制,细晶强化机制,弥散强化机制。滑动磨损实验结果表明,复合材料的摩擦系数低于未增强材料的摩擦系数。40—100N载荷条件下,纯钛的摩擦系数为0.4左右,复合材料纵向取样时摩擦系数为0.20.3。钛基复合材料的耐磨性能远优于基体材料,且TiCp尺寸较小的复合材料具有更好的耐磨损性能。复合材料与纯Ti的磨损机制不同,前者主要为轻微的剥层磨损与磨粒磨损,后者则为严重的剥层磨损。TiBw与TiCp主要对基体起到支撑保护作用、细晶强化作用和弥散强化作用来提高钛基复合材料的抗摩擦磨损性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 基体和增强体的选取
• 1.3.1 基体的选取
• 1.3.2 增强体的选取
• 1.4 钛基复合材料的原位自生制备技术
• 1.4.1 熔铸法
• 1.4.2 自蔓延高温合成与放热分散技术
• 1.4.3 机械合金化与高能球磨技术
• 1.4.4 放电等离子烧结技术
• 1.4.5 反应热压法
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 试验材料与研究方法
• 2.1 试验用原材料
• 2.2 材料制备工艺
• 2.3 材料的 DSC 分析
• 2.4 材料的组织结构分析
• 2.4.1 X-射线衍射分析
• 2.4.2 微观组织分析
• 2.5 材料性能测试
• 2.5.1 致密度测试
• 2.5.2 硬度测试
• 2.5.3 室温拉伸性能测试
• 2.5.4 高温拉伸性能测试
• 2.5.5 摩擦磨损性能测试
• 第3章 钛基复合材料的制备
• 3.1 热力学计算及分析
• 3.2 DSC分析研究
• 3.2.1 混合粉末的DSC结果分析
• 3.2.2 微观组织观察
• 3.3 复合材料的制备
• 3.3.1 球磨工艺研究
• 3.3.2 复合材料的热压烧结与热挤压制备
• 3.4 复合材料XRD分析
• 3.5 复合材料的致密度
• 3.6 复合材料的硬度
• 3.7 本章小结
• 第4章 钛基复合材料的微观组织分析
• 4.1 烧结态复合材料的微观组织分析
• 4.1.1 光学组织分析
• 4.1.2 SEM组织分析
• 4.2 挤压态复合材料的微观组织分析
• 4.2.1 挤压态复合材料的金相观察
• 4.2.2 挤压态复合材料的SEM组织分析
• 4.2.3 复合材料的TEM组织观察
• 4.3 本章小结
• 第5章 钛基复合材料的拉伸性能
• 5.1 不同TiCp尺寸复合材料的室温拉伸性能
• 5.1.1 钛基复合材料的拉伸强度与延伸率
• 5.1.2 复合材料的室温拉伸断口分析
• 5.2 不同TiCp尺寸复合材料的高温拉伸性能
• 5.2.1 复合材料的高温拉伸强度
• 5.2.2 复合材料的高温拉伸断口分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 钛基复合材料的摩擦磨损性能
• 6.1 引言
• 6.2 不同 TiCp 尺寸复合材料摩擦磨损性能分析
• 6.2.1 摩擦系数分析
• 6.2.2 复合材料的磨损性能分析
• 6.2.3 磨损面分析
• 6.2.4 磨屑分析
• 6.3 复合材料磨损性能强化机制
• 6.3.1 硬质相支撑保护作用
• 6.3.2 细晶强化作用
• 6.3.3 弥散强化作用
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历