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TiAl金属间化合物具有相当低的密度、高的高温强度和蠕变抗力等独特性能,受到人们的广泛重视,有望用于航空、汽车的高温结构件。目前,铸态Ti-Al金属间化合物大多存在晶粒粗大、室温塑性低、加工性能差以及高温抗氧化性明显不足,仍然是其实用化的主要障碍,这极大地限制了其在工程上的使用。考虑合成方法和工艺决定材料结构和性能,合适的方法配合恰当的工艺,是获得晶粒细小、性能良好的Ti-Al金属间化合物的关键。
原位合成工艺由于易于获得细化的基体晶粒、清洁的第二相界面且对第二相的数量及分布能够进行控制,从而提高了产物组织的稳定性和力学性能,因而在制备工艺的选取时倍受研究者的重视。Al2O3颗粒熔点高、化学稳定性好、强度和弹性模量高,且与TiAl金属间化合物的热膨胀系数较为接近,二者具有良好的化学、物理相容性,是增强TiAl金属间化合物最有效的增强体之一。
本文采用原位合成工艺,利用Al-CuO以及Al-TiO2系的放热反应,分别在Ti-Al-CuO和Ti-Al-TiO2-CuO两种体系下通过真空热压烧结方法获得有Cu掺杂的Al2O3陶瓷相强化的TiAl复合材料,采用综合热分析(DSC)并结合相关热力学计算,借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)结合能谱分析(EDS)等多种测试方法,分析了不同体系在热压过程下发生的物相转变、晶粒大小和微观形貌变化;同时,研究了不同配方条件下合成产物的力学性能变化,并初步探讨了其韧化机理。
结果表明经过热压烧结所得产物反应完全。在升温过程中,Ti-Al-CuO体系下Al熔化后分别对Ti、CuO颗粒润湿并发生反应,Ti颗粒表层形成中间产物TixAly,在富Ti区生成稳定TiAl相;CuO颗粒表层由于Al-CuO置换反应的发生,生成稳定的Al2O3相和活度较高的Cu单质,一定条件下TixAly与Cu反应形成A16.1Cu1.2Ti2.7三元相。在Ti-Al-TiO2-CuO体系下伴随有同样的反应,在Al-CuO放热反应发生的同时也发生着Al-TiO2放热反应,由于放热体系的增加,促使材料更易烧结,所得材料性能更佳。
在Ti-Al-CuO体系下经过1000℃热压烧结合成了由TiAl,Al2O3,Al6.1Cu1.2Ti2.7三种物相组成的复合材料。其基体主要由TiAl和Al6.1Cu1.2Ti2.7两相组成,增强相Al2O3为Al-CuO置换反应生成,且其颗粒细小,主要分布在基体相周围。Al6.1Cu1.2Ti2.7、Al2O3相含量随着原料中CuO添加量的提高而呈规律性增多。当原料配比中CuO含量为10wt％时材料弯曲强度达到最大值273.1 Mpa;当CuO含量在14wt％时复合材料断裂韧性达到最大值6.7MPa·m1/2。由于CuO的掺杂量增加变化,热压所得复合材料基体相组织呈现从块体到层状结构变化,自生Al2O3相呈现出由弥散分布到局部团聚现象变化。
Ti-Al-ZiO2-CuO体系在1100℃下热压烧结原位合成了Cu掺杂的Al2O3/TiAl复合材料,该体系下在A1开始熔化的同时,Al和CuO的反应开始缓慢进行,并形成CuTix中间产物,放出大量的热,促使Al和TiO2的反应提前,进而使材料在较低温度下致密烧结。CuO掺杂量为6wt％时所得复合材料弯曲强度可达474MPa,断裂韧性可达8.89MPa·m1/2。