论文部分内容阅读
钽基复合材料因其具有较高密度、熔点,优异的化学稳定性,低的线膨胀系数、氘滞留和良好的生物相容性,在航空航天、核工业、电子工业、生物医学等领域具有广泛的应用前景。由于钽基复合材料兼具较高密度和延展性,在武器、国防重工领域的发展较为迅速。但是钽具有较高的熔点和低的热导率,并且对氧碳杂质具有较高的亲和力,使其加工制备具有一定的难度。此外,钽的室温强度较低,拉伸强度只有380 MPa左右等问题限制其应用。针对钽基复合材料难以制备,力学强度较低等问题,本文采用等离子活化烧结（PAS）制备钽基复合材料,并对其烧结工艺、组分配比以及组织性能关系进行了探究,揭示钽基复合材料低温致密化和强韧化机制。本文以钽为基体,加入Ti,以合金化的方式降低其烧结温度,提高复合材料的致密度和力学性能,并在此基础上加入纳米陶瓷相TiC对其进一步强化。并且讨论了烧结的工艺参数（烧结温度、烧结压力、保温时间）和添加相含量对钽基复合材料组织结构和力学性能的影响规律。研究结果表明,在本论文实验条件范围内,Ta-Ti复合材料的致密度随烧结温度升高而增加,在1500oC时致密度达到99.2%,之后随温度升高变化不大;复合材料致密度随压力升高而增加,在烧结压力达到50 MPa后,致密度基本不再增加;保温时间超过3 min后,致密度变化不大。当Ti含量超过2%后,致密度随Ti含量增加变化不明显。因此最佳烧结工艺为1500oC-50 MPa-3 min,Ti的最佳含量为2 wt%。对其烧结动力学和致密化机制进行分析,Ti的加入降低了界面的活化能,促进了烧结致密化进程。晶界扩散和幂率蠕变是主要的致密化机制。Ta-Ti复合材料的显微硬度随烧结温度的升高先增加后降低,随Ti含量的增加逐渐降低。当烧结温度为1500oC,Ti含量为2%时,硬度为222.9 HV。弯曲屈服强度和弯曲极限强度随温度升高先增加后降低,在1500oC时,Ta-2Ti复合材料弯曲屈服强度为917.6 MPa,弯曲极限强度为1345.5 MPa,弯曲应变为15.5%。压缩屈服强度随温度升高先增加后降低,在1500oC时,Ta-2Ti压缩屈服强度为564.6 MPa,压缩应变超过50%,具有较高的延展性。Ti对氧杂质的吸附能力较强,具有净化基体的作用。Ti的加入对Ta-Ti复合材料强度的提升起到显著的作用,主要强化机制为固溶强化、第二相弥散强化,主要的韧性得益于Ti对基体的净化。纳米陶瓷相TiC的添加,显著提高的复合材料的硬度,当TiC含量为4 wt%时,Ta-Ti-4TiC复合材料的硬度为385 HV,相比Ta-2Ti复合材料提升了73.4%,这主要是因为烧结过程中原位生成Ta2C高硬度陶瓷相。Ta-Ti-TiC复合材料的弯曲强度和压缩强度均随TiC含量增加而增加,但是应变逐渐下降。Ta-Ti-4TiC复合材料的极限弯曲强度达到1595.9 MPa,极限压缩强度达到1850.2 MPa,压缩应变为32.8%,仍处于较高水平。TiC的添加进一步提升了Ta-2Ti基体的强度,主要的强化机制为固溶强化、细晶强化和第二相强化,其中第二相强化对强度值得贡献最大达到50%左右。