Ti_f/Al复合材料微观组织和力学性能研究

论文摘要

在目前开发和应用的金属基复合材料中,铝基复合材料的研究最为深入。铝基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、比弹性模量大、导电导热性好、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、抗蠕变、耐疲劳等一系列优点。钛纤维具有比强度高、塑性好、耐腐蚀等特点。因此,本文制备了Tif/Al复合材料,希望综合基体与增强体的优点,以期获得一种轻质高强,化学稳定性好,能够广泛应用的航天航空材料。本文采用压力浸渗法制备了Tif/Al及2D-Tif/Al复合材料。为了抑制过强的Ti-Al界面反应,减少脆性相TiAl3的生成,在钛纤维表面利用真空离子镀膜法制备了TiN薄膜。利用光学显微镜、精密分析天平、透射电子显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射对复合材料的微观组织和界面形貌进行研究。对Tif/Al和2D-Tif/Al复合材料的力学性能进行了研究,获得了不同纤维方向、不同体积分数和不同环境温度下材料力学性能的变化规律,并分析了纤维涂层对材料力学性能的影响。TiN涂层厚度非均匀分布,平均厚度在2μm左右。不含涂层的钛纤维表面有反应产物生成,含涂层的钛纤维表面没有发现TiAl3的存在,证明TiN涂层的出现有效的阻止了界面扩散,有效地控制了界面反应。通过在纤维表面制备TiN涂层,Tif/Al复合材料的抗拉强度提高了近15%,说明的涂层有效改善了界面状况。另一方面,材料的延伸率略有下降。单向Tif/Al复合材料的纵向抗拉强度达到806MPa,而且材料具有良好的延伸率和塑性。随着应力方向与纤维轴向之间夹角的增加,复合材料断裂失效方式有着明显的变化,在0°-30°方向为轴向拉应力导致的纤维拔出的断裂模式;30°-45°方向为轴向拉应力和界面剪切应力共同作用的失效模式,而45°-90°方向为界面在拉应力作用下的断裂模式。单向板不同方向的拉伸强度基本符合Tasi-Hill准则。材料的抗弯强度达到1350MPa,具有较高的强度和韧性。2D-Tif/Al复合材料具有良好的各向同性特点,而45°方向具有较高的拉伸强度和延伸率。Tif/Al复合材料具有较高的高温弯曲强度,随着温度的升高,材料的塑性提高,界面结合强度降低,材料的延伸率的得到进一步的提高。单向Tif/Al在500℃时可达650MPa,2D-Tif/Al在300℃时以下可保持在300MPa以上。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 纤维增强铝基复合材料
• 1.2.1 基体铝合金
• 1.2.2 纤维的选择
• 1.2.3 长纤维增强铝基复合材料的制备工艺
• 1.2.4 长纤维增强铝基复合材料的力学性能
• 1.3 Ti-Al 界面反应
• 1.3.1 概述
• 1.3.2 Ti-Al 界面反应类型
• 1.4 本文的研究目的和主要内容
• 第2章 材料与试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 复合材料的制备
• 2.3 纤维的涂层制备
• 2.4 分析测试方法
• 2.4.1 密度测试
• 2.4.2 硬度测试
• 2.4.3 拉伸性能测试
• 2.4.4 三点弯曲性能测试
• 2.4.5 断裂韧性测试
• 2.4.6 显微组织观察
• f/Al 复合材料的微观组织'>第3章 Ti_f/Al 复合材料的微观组织
• 3.1 前言
• 3.2 TiN 涂层的制备和性能分析
• 3.2.1 TiN 涂层的制备
• 3.2.2 TiN 涂层的表面形貌分析
• f/Al 复合材料的微观组织'>3.3 Ti_f/Al 复合材料的微观组织
• 3.4 本章小结
• f/Al 复合材料力学性能研究'>第4章 单向Ti_f/Al 复合材料力学性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 复合材料的拉伸性能
• f/Al 复合材料的横向拉伸强度'>4.2.1 Ti_f/Al 复合材料的横向拉伸强度
• f/Al 复合材料的纵向拉伸应力-应变分析'>4.2.2 Ti_f/Al 复合材料的纵向拉伸应力-应变分析
• f/Al 复合材料的纵向拉伸强度与界面关系及断口形貌'>4.2.3 Ti_f/Al 复合材料的纵向拉伸强度与界面关系及断口形貌
• 4.2.4 纤维方向对材料拉伸性能的影响
• 4.3 复合材料的弯曲性能
• f/Al 复合材料纵向弯曲应力-挠度曲线'>4.3.1 Ti_f/Al 复合材料纵向弯曲应力-挠度曲线
• f/Al 复合材料弯曲断口观察'>4.3.2 Ti_f/Al 复合材料弯曲断口观察
• f/Al 材料弯曲性能的影响'>4.3.3 热处理方式对Ti_f/Al 材料弯曲性能的影响
• f/Al 材料弯曲性能的影响'>4.3.4 温度对Ti_f/Al 材料弯曲性能的影响
• f/Al 材料弯曲性能的影响'>4.3.5 纤维方向对Ti_f/Al 材料弯曲性能的影响
• f/Al 复合材料断裂韧性研究'>4.4 Ti_f/Al 复合材料断裂韧性研究
• 4.5 本章小结
• f/Al 复合材料力学性能研究'>第5章 2D-Ti_f/Al 复合材料力学性能研究
• 5.1 前言
• f/Al 复合材料拉伸性能和断口形貌分析'>5.2 2D-Ti_f/Al 复合材料拉伸性能和断口形貌分析
• f/Al 复合材料弯曲性能和断口形貌分析'>5.3 2D-Ti_f/Al 复合材料弯曲性能和断口形貌分析
• f/Al 复合材料力学性能的影响'>5.4 涂层对2D-Ti_f/Al 复合材料力学性能的影响
• f/Al 复合材料力学性能的影响'>5.5 铺层方向对2D-Ti_f/Al 复合材料力学性能的影响
• f/Al 复合材料力学性能的影响'>5.6 体积分数对2D-Ti_f/Al 复合材料力学性能的影响
• f/Al 复合材料力学性能的影响'>5.7 温度对2D-Ti_f/Al 复合材料力学性能的影响
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢