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        Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料的性能研究

        2015-11-24 13:01:23羅正斌
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2015年26期
        關(guān)鍵詞:力學性能

        羅正斌

        摘 要:以Ti基非晶合金和Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料為研究對象,通過分析其內(nèi)部組織,發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料中的Ti基合金均為非晶相,Ti基非晶合金與SiC陶瓷未生成新相;而SiC骨架中存在著“弱點”、微裂紋與氣孔、閉孔、應(yīng)力集中點等缺陷;復(fù)合材料改變了復(fù)合前的缺陷,填補了原始陶瓷骨架中的裂紋,修補了“弱點”,避免了材料在承受載荷時在這些缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中,使材料的力學性能得到了改善。

        關(guān)鍵詞:非晶合金復(fù)合材料 孔隙率 SiC 陶瓷骨架 微裂紋 力學性能

        中圖分類號:TG75.5 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2015)09(b)-0118-02

        陶瓷材料作為一種先進材料,具有多種優(yōu)勢,如:高強度、高硬度、耐腐蝕、高耐磨性和低重量??蓱?yīng)用在車輛、船舶、飛機的關(guān)鍵部位,其應(yīng)用范圍越來越廣泛。但陶瓷沒有塑性,易產(chǎn)生脆性斷裂,成型尺寸較?。欢饘倬哂懈唔g性,可以利用各自優(yōu)勢,將其制成復(fù)合材料。目前,金屬陶瓷復(fù)合材料主要有陶瓷骨架增強金屬復(fù)合材料和陶瓷顆粒增強金屬復(fù)合材料兩大類,如SiC骨架鋁合金復(fù)合材料和SiC或B4C顆粒增強鋁合金的復(fù)合材料。

        隨著對非晶合金研究的不斷深入,非晶合金的尺寸也越來越大,塊體非晶合金的制備,極大地拓寬了非晶合金的應(yīng)用領(lǐng)域。塊體非晶合金擁有高硬度、高強度、高彈性、高耐腐蝕性、可精密成形以及良好的磁性等優(yōu)異性能。

        1 Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料密度與孔隙率

        使用壓力—浸滲—快凝法(滲流鑄造法),將Ti基非晶合金母合金滲入預(yù)制的SiC陶瓷骨架孔洞中,獲得Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料。

        根據(jù)復(fù)合材料SiC陶瓷骨架的原始孔隙率,對復(fù)合材料編號,I型SiC陶瓷骨架對應(yīng)A型復(fù)合材料,II型SiC陶瓷骨架對應(yīng)B型復(fù)合材料,III型SiC陶瓷骨架對應(yīng)C型復(fù)合材料,將未經(jīng)復(fù)合的Ti基非晶合金編號為0型材料。

        實驗采用的Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料與Ti基非晶合金的真密度(見表1)。根據(jù)SiC骨架的實測孔隙率與Ti基非晶合金的實測密度,可算出Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料的理論密度。

        從表1中可看出,Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料實際密度均高于理論密度,表明在復(fù)合材料制備過程中,Ti基非晶合金相滲入到SiC相中,填補了SiC相中一部分孔隙與裂紋,復(fù)合材料中Ti基非晶的實際含量將比SiC骨架的孔隙率高。

        2 Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料的內(nèi)部組織分析

        2.1 相分析

        圖1為Ti基非晶合金的X射線衍射曲線,曲線成饅頭峰狀,沒有明顯的特征峰,表明實驗制得的Ti基非晶合金為完全非晶結(jié)構(gòu)。

        圖2為Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料的X射線衍射曲線。曲線中只發(fā)現(xiàn)有SiC相的特征峰,并未發(fā)現(xiàn)其他晶體的特征峰,表明復(fù)合材料中的Ti基合金均為非晶相,且Ti基非晶合金與SiC陶瓷并未生成新相。

        2.2 微觀形貌

        圖3為不同孔隙率SiC陶瓷骨架的掃描電鏡照片,通過比較可以看出骨架I的孔徑明顯大于骨架III,這與理論上孔徑隨著孔隙率的降低而降低是一致的。

        圖4的a、b、c為不同型號Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料掃描電鏡照片,其中深色部分為SiC相,淺色部分為Ti基非晶相。復(fù)合材料中各相分布均勻,Ti基非晶合金填充在SiC骨架之中,形成兩相各自連通、相互嵌套的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

        復(fù)合材料中,存在大量界面,骨架結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料兩相界面十分豐富,其結(jié)合狀況對整體性能的影響十分顯著。采用壓力—浸滲法制備復(fù)合材料需要將合金相加熱至其熔點附近或以上更高的溫度,在高溫環(huán)境下,會發(fā)生一定程度的界面反應(yīng)、擴散、溶解、元素偏聚等過程。適當?shù)臄U散反應(yīng)能夠使兩相相互滲透,結(jié)合緊密,但嚴重的界面反應(yīng)會產(chǎn)生元素偏聚,使界面處成分偏離組元成分,造成非晶形成能力下降,影響性能,或產(chǎn)生新的反應(yīng)物,破壞原有界面的結(jié)合,影響復(fù)合材料的整體性能。圖4的d為SiC陶瓷骨架/Ti基非晶合金復(fù)合材料中界面的掃描電鏡照片,可見Ti基非晶與SiC陶瓷兩相界面結(jié)合良好,界面處無孔隙。

        2.3 微觀缺陷

        圖5為SiC陶瓷骨架的微觀缺陷,可觀測到顆粒結(jié)合薄弱區(qū)域與閉孔缺陷。SiC陶瓷骨架制備過程中,難以避免會有少量的Si粉末依然以粉末狀存在于整體之中,形成顆粒結(jié)合薄弱區(qū)域。這些粉末之間結(jié)合面小、結(jié)合力弱,成為了整體當中的“弱點”。在承受載荷時,這些“弱點”易造成應(yīng)力集中,萌生裂紋,或者由于結(jié)合力弱造成失效,最終引起骨架整體的迅速失效。SiC陶瓷骨架中的閉孔無法浸滲非晶合金,會在復(fù)合材料中保留,成為復(fù)合材料中的缺陷,造成性能降低。

        SiC骨架中存在著“弱點”、微裂紋與閉孔等缺陷,隨著壓力—浸滲法制備復(fù)合材料過程殘留下來,形成了復(fù)合材料中的缺陷。在壓力—浸滲法制備過程中,也會產(chǎn)生一些新的缺陷,如非晶相中的氣孔等。Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料的性能將受到這些缺陷的影響。

        2.3.1 閉孔

        SiC陶瓷骨架在燒結(jié)時,由于SiC顆粒堵塞及開孔不充分等原因,形成了少量的閉孔,這些閉孔在復(fù)合材料中被保留了下來。如圖6的a所示,在經(jīng)過拋光的復(fù)合材料試樣中可以觀測到一定數(shù)量的閉孔。在有些閉孔中還存在未完全燒結(jié)的SiC顆粒,如圖6的b所示。閉孔的存在并不能通過復(fù)合過程而去除,減少原始骨架中的閉孔數(shù)量能夠減少復(fù)合材料中的閉孔數(shù)量。閉孔的存在會影響復(fù)合材料的力學性能。

        2.3.2 氣孔

        在Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料中非晶相以及兩相界面處,偶爾可以觀察到氣孔(見圖7)。這些氣孔多在浸滲過程中形成,由于熔融非晶合金中混入了氣體,凝固過程中氣體析出造成的。氣孔對材料的力學性能影響十分顯著,易形成應(yīng)力集中;復(fù)合材料中兩相界面處的氣孔會削弱界面的結(jié)合,成為材料中的薄弱點,在承受載荷時容易產(chǎn)生界面失效、萌生裂紋。復(fù)合材料中,隨氣孔數(shù)量的增多,材料的拉伸強度降低,如式1所示。

        (1)

        式(1)中σu為孔隙率為p的材料拉伸強度;σ0為密實的材料拉伸強度;α為破壞因子。

        2.3.3 裂紋

        在SiC骨架中,存在著“弱點”與微裂紋,都是在燒結(jié)過程中留下的缺陷?!叭觞c”的形成主要是由于少量SiC粉末未完全燒結(jié),粉末之間結(jié)合面小,結(jié)合力差;微裂紋的形成主要是由于燒結(jié)過程留下的殘余熱應(yīng)力等原因?qū)е??!叭觞c”和微裂紋在承受載荷時容易成為裂紋萌生源。這些缺陷的存在會大大降低SiC陶瓷骨架的力學性能。在復(fù)合材料中,能夠觀察到Ti基非晶相與SiC相緊密結(jié)合,Ti基非晶填補到SiC相的裂紋之中,如圖8的a所示。但并非SiC陶瓷相中所有的裂紋都能在浸滲過程中被修復(fù),仍有一些裂紋存在,如圖8的b所示。在復(fù)合材料中沒有SiC陶瓷相中的顆粒結(jié)合薄弱區(qū)域,因為Ti基非晶合金填補了SiC陶瓷骨架中的“弱點”,對“弱點”內(nèi)的SiC顆粒起到了包裹與支撐的作用。復(fù)合后的材料改變了復(fù)合前的缺陷,部分的填補了原始陶瓷骨架中的裂紋,修補了“弱點”,避免了材料在承受載荷時在這些缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中,使材料的力學性能得到了改善。

        2.3.4 應(yīng)力集中點

        在原始的SiC陶瓷骨架中,部分SiC顆粒夾角較為尖銳,在復(fù)合材料中體現(xiàn)為非晶相填滿尖角,形成非晶相尖角。這種非晶相中尖銳的凸出如圖9所示。承受載荷時容易在尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中,易萌生裂紋,不利于復(fù)合材料力學性能的提高。

        3 結(jié)語

        通過壓力—浸滲—快凝法制備Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料,分析SiC陶瓷骨架孔隙率與孔徑分布,測量Ti基非晶合金及Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料的密度。對Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料進行相分析,發(fā)現(xiàn)Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料由非晶相與SiC相構(gòu)成,界面處無新相生成;通過研究Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料的微觀形貌和缺陷。原始SiC陶瓷骨架中孔徑分布較為集中,孔徑隨孔隙率的減小而減小,理論密度與真密度接近;復(fù)合材料密度略高于理論密度,說明復(fù)合過程中Ti基非晶合金相修復(fù)了SiC骨架的內(nèi)部缺陷;Ti基非晶合金SiC陶瓷骨架復(fù)合材料,兩相結(jié)合良好,無明顯界面反應(yīng),其內(nèi)部缺陷主要有閉孔、氣孔,裂紋與應(yīng)力集中點,浸滲過程中SiC相中部分缺陷被修復(fù),材料性能得到明顯改善與提高。

        參考文獻

        [1] 張文潔.Cu-Zr-Ti 基塊體非晶合金的合成及晶化行為的研究[D].濟南:濟南大學,2009.

        [2] 李維火.塊體非晶合金及其復(fù)合材料微觀力學性能研究[D].上海:上海大學,2005.

        [3] 趙玉庭,姚希曾.復(fù)合材料基體與界面[M].上海:華東化工學院出版社,1991:224-226.

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