金属-金属间化合物叠层复合材料研究进展

金属-金属间化合物叠层复合材料既可以保留金属间化合物的高温强度,又可以继承金属在室温下的良好的塑性和韧性,逐渐成为国内外学者的研究重点。本文综述了Ti-Al系、Ni-Al系、Fe-Al系、Nb-Al系及其他常见金属-金属间化合物叠层材料的研究现状,并着重介绍了其常用制备方法,如热压复合法、爆炸焊接法、放电等离子烧结法等,分析了每种制备方法的优缺点。同时从内、外部两个方面归纳总结了金属-金属间化合物叠层材料增韧机理。最后分析了金属-金属间化合物叠层复合材料现阶段研究存在的问题,并认为Ti-Al系叠层复合材料仍将是未来研究的重点。如何进一步提升金属-金属间化合物叠层复合材料的室温塑性和韧性,深入探讨复合材料的增韧机理,优化制备工艺,是金属-金属间化合物叠层复合材料能否实现工程化应用的关键。     

EB-PVD工艺制备Ti/Ti-Al超薄多层复合材料的微观结构与性能研究

利用大功率电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备了Ti和Ti-48at%Al交替蒸发沉积形成的金属/金属间化合物型多层材料薄箔.研究了靶基距、微观结构参数及试样在制备材料的选取位置对其性能的影响,考察了Ti/Ti-Al微叠层材料在不同温度下的拉伸性能,结果表明材料的室温脆性得到了明显改善,高温下由于金属间化合物层的反常强化作用,使材料在500～800 ℃之间的性能较为理想.     

特种加工技术在某新型微叠层复合材料中的应用

目前航空航天领域采用的微叠层复合材料主要集中在Fe、Ni、Ti和Al的合金或金属间化合物上。这类金属的金属间化合物具有熔点高、密度低、热导率好及抗高温性能好等优点,可被用作航空飞行器或航空发动机的高温结构材料。但是这类金属间化合物具有其本征脆性,导致其室温下的断裂韧性很差,因而应用受到限制。为解决这一问题,采用特种加工技术制备出具备微叠层结构的金属/金属间化合物复合材料是理想的手段之一。     

粉末冶金Ti-Al 系金属间化合物的研究

由于可以制备出组织细小、均匀的Ti-Al系金属间化合物材料,粉末冶金技术在Ti-Al系金属间化合物材料的应用研究方面具有很强的优势.本文以Ti-23Al- 17Nb( at％)和Ti-45 Al-2Cr-2Nb-(B,W)(at％)为例,介绍了粉末冶金技术在Ti-Al系金属间化合物材料制备及成形方面的制备工艺、性能和部分样件,展示了Ti-Al系金属间化合物材料在航天及武器型号方面良好的应用前景.     

原位合成Al2O3/Ti-Al复合材料的研究

利用氧对金属Ti、Al粉的部分氧化，原位合成了Al2O3／Ti-Al复合材料，通过XRD和SEM手段，发现Al2O3分布在Ti—Al基体交界处，在一些制得的复合材料中出现了大量原位生成的纤维。借助差热分析，对该制备过程的反应机理进行了初步探讨，研究认为该制备过程的反应步骤为：Ti、Al金属粉表面氧化→铝的熔化→TiAl，的生成→Ti2Al、TiAl、Ti，Al等多种化合物生成和Al对TiO2的还原反应。原始组成中铝含量决定了复合材料的主要晶相组成，铝含量不足时，生成Ti2Al、TiAl、Ti3Al等多种金属间化合物和氧化铝；铝含量足够时，最终的产物为TiAl3、金属铝以及氧化铝等相。     

激光合成金属间化合物基复合材料研究进展

对激光合成颗粒增强金属间化合物基复合材料进行了研究,包括Ni3Al/WC、NiAl/TiC、Ti3Al/TiC和MoSi2/SiC,用扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪对材料成分和组织特征进行了分析,提出并讨论了影响激光合成金属间化合物基复合材料的关键问题.激光合成具有多种强韧化方法协同、提高金属间化合物强度和塑性的特点,有利于金属间化合物性能的综合改善.     

连续SiC纤维增强钛基复合材料应用及研究进展

连续SiC纤维增强钛基(SiC_f/Ti)复合材料具有比强度高、比模量高、耐高温等特点,在航空航天领域具有重要的应用前景。本文总结了SiCf/Ti复合材料的应用、制备、性能调控和检测技术,并提出了SiCf/Ti复合材料未来需要突破的瓶颈问题。SiC_f/Ti复合材料单向性能优异,在环类转动件(叶环、涡轮盘等)、杆件(涡轮轴、连杆、紧固件等)以及板类构件(飞机蒙皮等)具有明显应用优势。常用的SiC_f/Ti复合材料的制备方法有箔压法和基体涂层法,箔压法适合制备板类结构件,基体涂层法适用于缠绕形式的结构件,如环、盘以及杆等。SiC_f/Ti复合材料的性能主要取决于SiC纤维、钛合金基体以及纤维/基体界面。SiC纤维微观结构和性能对制备工艺具有较强的敏感性,通过反应器结构和沉积条件调控获得性能稳定的SiC纤维是研究重点之一。钛合金基体可通过物理气相沉积的方法涂敷到纤维表面,制备出钛合金先驱丝,这是后续制备出高质量构件的关键。界面微观结构、热稳定性、力学性能与纤维表面的涂层密切相关,因此涂层种类和结构调控是SiC<...     

利用金属间化合物增强陶瓷钎焊接头强度

研究了Ag-Cu-Ti/加Ti/N i/Ti复合层钎焊S i3N4陶瓷的接头组织与性能。结果表明,钎缝中形成了以金属间化合物为高熔点相和Ag-Cu作为基体的组织。对界面反应层的观察表明,反应层分为两层结构。保温时间、连接温度、Ti箔和N i箔厚度及Ag-Cu-Ti钎料厚度均能影响接头组织和强度。在本实验范围内,其它参数一定的条件下,分别在30m in,970℃,Ti箔30μm和N i箔60μm及Ag-Cu-Ti片150μm时取得了最大强度值。     

添加钛箔镁/铝异种金属激光焊接研究

提出镁上/铝下搭接、镁/铝层间添加Ti箔的激光焊接技术,对AZ31镁合金和6061铝合金进行焊接,研究钛箔–激光作用下镁/铝接头的组织与性能。结果表明,在激光焊接工艺条件下,添加Ti箔可实现镁/铝有效连接,镁/铝接头的剪切强度（线强度）达到58 N/mm,熔池形貌由未添加Ti箔时的“V”型转变成添加Ti箔时的“酒杯状”。随着Ti箔厚度的增加,镁/铝接头的熔池深度增加,靠近铝侧基体的Ti箔部分熔化,Ti元素分布在熔池内部,生成Ti3Al化合物;添加Ti箔抑制镁液和铝液直接接触,避免Mg、Al反应生成脆性Mg/Al化合物,添加Ti箔起到一定的阻隔效果,但Ti箔的导热系数较低,离激光热源较远,Ti箔熔化不完全,Ti箔与母材基体的结合有待提高。     

高能超声辅助原位合成Al-Cr/Al复合材料

采用高能超声辅助铸造法制备Al-Cr金属间化合物/Al原位复合材料.利用扫描电镜观察复合材料中增强体颗粒的大小、形貌和分布,应用XRD、EDS对复合材料进行物相分析,并研究复合材料的硬度.结果表明:通过高能超声辅助铸造法制备的Al-Cr/Al原位复合材料中金属间化合物增强体颗粒呈多边形,尺寸较为细小,分布均匀;原位反应时Al和Cr首先生成Al0.983Cr0.017金属间化合物,随着Cr含量的增加,然后生成高Cr化合物;随着温度的升高,有利于更稳定、性能更好的化合物生成;这些金属间化合物会相互扩散,最终形成均匀的混合增强相,并保持Al,Cr的原子比例不变;复合材料的硬度随Cr含量的增加而增加,随Cr颗粒尺寸的增加而具有最大值,当Cr含量为10％,粒径为75 μm时,复合材料硬度增加了2.5倍.     

Nb/Nb-Si微叠层复合材料制备及性能

采用离子束辅助(IBAD)电子束物理气相沉积(EB-PVD)工艺制备Nb/Nb-Si微叠层状复合材料,利用XRD和SEM对材料的物相结构和组成进行分析,测定材料的抗氧化性能和耐燃气热腐蚀性能,分析影响材料抗氧化性能和耐燃气热腐蚀性能的原因.结果表明:Nb/Nb-Si微叠层材料主要由立方Nb和四方Nb5Si3混合相组成;1150℃恒温氧化条件下抗氧化性能达到航空工业行业标准的抗氧化级,900℃/100 h燃气热腐蚀试验后试样的平均腐蚀速率为0.517 g/(m2·h);Ti,Cr元素的加入显著提高了Nb/Nb-Si微叠层的抗氧化性能和耐燃气热腐蚀性能.     

CFRP/Ti叠层钻削力热行为与切屑成形分析

碳纤维增强复合材料(CFRP)是一种以环氧树脂作为基体材料、碳纤维作为增强材料的复合材料,具有高强度、高比强度以及耐腐蚀性的特点。CFRP与钛合金是航空航天领域广泛使用的两种轻质的材料,经常作为叠层结构出现在大型客机的关键部位,使大型客机制造装配过程中需要对CFRP/Ti叠层进行大量的制孔。而CFRP/Ti叠层钻削过程中的力热变化与切屑形态会直接影响刀具的切削状态。在此基础之上,对CFRP/Ti叠层钻削过程中的力热行为与切屑成形进行研究,这对于CFRP-Ti叠层实际钻削过程具有重要的指导意义。     

Nb/Nb_5Si_3微叠层复合材料制备与其组织结构

采用大功率离子束辅助(IBAD)电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备Nb/Nb5Si3叠层状复合材料。利用X-射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对材料的组成相和微观结构进行分析,探讨EB-PVD制备工艺对微叠层材料的结构和形貌的影响。采用双靶材、蒸气垂直入射及高温高束流制备微叠层材料,并进行真空热处理以考察微叠层材料在1200℃下保温3h后的结构演变。实验结果表明:制备出Nb/Nb5Si3微叠层复合材料,由立方Nb和四方Nb5Si3混合相组成,具有明显的层状结构。真空热处理后,微叠层材料柱状晶结构向等轴晶转化。     

热处理对NiCrAkl／Ni3Al微叠层材料力学性能影响

利用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)制备NiCrAl/Ni3Al微叠层复合材料,对其在制备态和时效态不同温度下的力学性能进行试验,考察不同时效温度对材料拉伸性能的影响.结果表明,制备态样品沿柱状晶晶界发生脆性断裂,而热处理态样品的断口具有典型的韧性断裂特征.力学性能测试结果表明,经过适当的热处理后,微层材料室温和高温力学性能与制备态时相比,有明显的改善.经740℃/32h热处理后,材料性能明显提高.     

激光合成和制备金属间化合物抗高温氧化涂层

金属间化合物作为高温结构材料,对高温氧化、磨损和腐蚀有很好的防护效果.本工作对激光合成和制备金属间化合物抗高温氧化涂层进行了研究,采用Ni包Al粉末,通过基体稀释过渡Fe,基于低激光功率、慢扫描速度和大束斑尺寸的工艺原则,直接合成了Ni30Al20Fe金属间化合物,并且制备出无裂纹和气孔、完全致密、与基体形成冶金结合的涂层,其组织是Fe固溶强化的细小的β-NiAl-Fe金属间化合物基体加弥散的粒状和薄带状γ-Fe-Ni奥氏体析出相,固溶强化和细晶强化使涂层强度和韧性得到改善.     

SiCf/TC17复合材料制备方法对界面反应层生长动力学的影响

连续SiC纤维增强钛基复合材料(SiC_f/Ti复合材料)具有良好的比强度和综合力学性能，是新一代装备研制备受关注的轻质高温结构材料。SiC_f/Ti复合材料可采用箔压法(FFF)和基体涂层法(MCF)进行制备，为对比两种工艺方法对其界面反应生长的影响，采用FFF和MCF分别制备SiC_f/TC17复合材料。对两种工艺制备的SiC_f/TC17复合材料在高温下(800～900℃)进行热暴露处理，通过扫描电镜对其微观结构及界面反应层厚度进行分析，获得界面反应层在高温下的生长速率，并进一步获得不同制备工艺状态下材料的界面反应动力学参数。结果表明：相同温度下MCF法制备的SiC_f/TC17复合材料界面反应速率大于FFF法制备的复合材料，前者的反应速率因子k₀为4.942×10^-3 m/s^1/2，反应激活能Q为276.3 kJ/mol，后者的界面反应速率因子k₀为8.149×10^-3 ...     

难熔金属化合物掺杂对先驱体转化2D C/SiC复合材料抗氧化性能影响

提出在2D C/SiC复合材料基体中掺杂难熔金属化合物ZrB2,TaC,ZrC,制备了2D C/SiC-ZrB2,2D C/SiC-ZrC和2D C/SiC-TaC新型复合材料,考察了难熔金属化合物的引入对材料力学性能、抗氧化性能和微观结构的影响.结果表明,ZrB2和TaC的引入,能明显提高2DC/SiC复合材料的抗氧化性能;ZrC的引入对2D C/SiC复合材料的抗氧化性能极其不利.这归结于高温下ZrB2和TaC有助于在复合材料表层氧化形成ZrO2,B2O3和Ta2O5保护膜,阻止了材料内部的进一步氧化,从而提高了复合材料的抗氧化性能.     

抗氧化C/C复合材料超高温氧化性能分析

通过在C/C复合材料内部引入难熔金属化合物,制备出一种超高温抗氧化C/C复合材料。采用高频等离子体风洞对材料进行了超高温氧化试验。结果表明超高温抗氧化C/C复合材料的抗氧化性能较纯C/C复合材料有明显提高,通过其表面形貌及断口面扫描电镜分析,难熔金属化合物起到氧化阻挡层和内部涂层作用。     

飞机装配自动制孔刀具技术研究

碳纤维复合材料与金属材料构成的性能差异的叠层构件在飞机机翼和尾舵中应用广泛,叠层构件装配过程中需要大量的铆接或螺接孔。在这些航空产品装配制孔中,最佳的工艺是在碳纤维复合材料和金属材料叠层构件上同时加工出所需要的铆接或螺接孔,这是确保叠层材料构件产品连接强度、刚度和安全性的主要手段。然而由于碳纤维复合材料层间结构特点和2种材料性能的巨大差异,制孔质量难以保证并且刀具磨损剧烈。特别是随着飞机自动制孔技术的发展,其关键技术之一就是要求在装配过程中采用一道工序同时高效加工碳纤维复合材料和钛合金以及铝合金等完全不同性质的材料。     

低成本聚硅氧烷制备SiC_f／Si-O-C材料性能研究

以聚硅氧烷为先驱体,采用先驱体转化法制备SiCf/Si-O-C复合材料,同时测试所得复合材料的弯曲强度、韧性、剪切强度、密度、热膨胀系数、导热系数、耐烧蚀性能.结果表明,SiCf/Si-O-C复合材料具有良好的综合性能.对所得材料微观结构进行分析讨论,发现界面结构与致密度是SiCf/Si-O-C复合材料具有高性能的主要原因.