Ti/Ti-Al大尺寸微叠层材料的制备与性能研究(英文)

采用大功率电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备了层厚比为 1:1 的 Ti/Ti-Al 微叠层复合材料薄板,用 XRD 和 SEM对材料的微观结构进行了表征,对其室温及高温拉伸性能进行了测试。结果表明:材料由 Ti,α2-Ti3Al 和γ-TiAl 相组成,层状结构对提高材料的室温塑性有利;尽管未经致密化处理的材料存在着较多微孔,但在金属间化合物层的反常强化及层间界面对裂纹的钝化作用下,材料仍具有较高的抗高温拉伸强度和良好的高温延迟断裂特性。

微叠层材料及其制备工艺研究进展

着重论述了各种微叠层材料及其制备方法,认为电子束物理气相沉积是制备微叠层材料的有效方法;同时对微叠层材料性能方面的研究也作了相应的论述,并展望了我国今后在这方面的研究方向。

金属/陶瓷微叠层材料的微观结构及力学性能

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备了金属(NiCoCrAl)/陶瓷(Y_2O_3-ZrO_2)微叠层材料,并对其微观结构和力学性能进行了分析。结果表明,金属层和陶瓷层间界面较为平直、清晰。金属层由γ-Ni相构成.层中晶粒为较大的等轴晶。陶瓷层由c-ZrO_2和t-ZrO_2两相组成,层中晶粒为较小的柱状晶。在金属层的顶部,存在一些均匀分布的微孔。这种材料在室温拉伸试验中表现出无宏观塑性变形的脆性断裂特征。断口分析表明,金属层起到了阻碍裂纹扩展的作用,且层界面存在脱粘的现象。

Ti_2AlNb粉末与Ti/Al纳米叠层箔带混合烧结高温微叠层材料的微观结构

为了探索研制一种工作温度700~750℃,而且室温塑性较好的钛基高温合金,使用Ti/Al纳米叠层箔带和Ti_2AlNb合金粉末作为原料,在1 473 K,30 MPa,1.5 h的热压条件下直接混合烧结,制备出新型钛铝系金属间化合物高温微叠层材料(TiAl+Ti_2AlNb)样品,其中,Ti/Al纳米叠层箔带在热压烧结过程中的放热反应促进了样品烧结致密化。采用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)和能谱仪(Energy dispersive spectroscopy,EDS)研究烧结产物相组成及显微结构的影响,并测试微区的显微硬度。结果表明,不同混合方式配比热压烧结体的相组成结构比较相似,烧结体内部主要形成了组织渐变的Ti_2AlNb/Ti_2Al(Nb)/TiAl显微结构,并且通过XRD也检测到了Ti_3Al相。破碎的Ti/Al纳米叠层材料和Ti_2AlNb合金粉末在热压烧结后,以扩散反应形成的Ti∶Al∶Nb大约为1∶1∶1的TiAl(Nb)相,其硬度最高(605.85 HV),由Ti/Al纳米叠层箔带生成并保留下来的TiAl相,其硬度最低(251.11 HV)。

热处理对NiCrAl/Ni_3Al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。

NiCrAl/Ni_3Al微叠层材料的断裂韧度测算

利用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)制备了NiCrAl/Ni3Al微叠层复合材料。建立了具有中心穿透裂纹有限宽NiCrAl叠层的I型裂纹扩展模型,推导出它的断裂韧度表达式,并利用带预制裂纹的Ni-CrAl/Ni3Al叠层试样的四点弯曲断裂数据,估算出NiCrAl的断裂韧度,叠层后增强Ni3Al单体的断裂抗力。实验结果表明,制备态NiCrAl/Ni3Al微叠层复合材料试样的拉伸断口呈现出裂纹扩展和裂纹瞬断两个区域;随着温度的升高,塑性增加。

碳纤维与扩散层厚度对Al-Mg-Ti微叠层复合材料组织性能的影响

以1060纯铝、TC4钛合金、AZ31镁合金和镀镍碳纤维编织布为原材料,使用真空热压扩散技术和“箔-纤维-箔”法制备出碳纤维增强Al-Mg-Ti微叠层复合材料。通过控制铝镁保温时间分析了铝镁扩散层厚度对材料组织性能的影响,探讨碳纤维的强化机理,采用X射线衍射仪(XRD)、能谱分析仪(EDS)和扫描电子显微镜(SEM)等分析了复合材料的相组成、元素分布与裂纹扩展形貌,测试了复合材料的抗弯强度和冲击韧性。结果表明:碳纤维增强Al-Mg-Ti微叠层复合材料扩散层厚度随着保温时间的延长而增加,力学性能呈先上升后下降的趋势,碳纤维通过纤维脱粘、纤维拔出和纤维劈裂等方式吸收了大量断裂能,起到显著的增韧效果。在铝钛热压温度640℃保温时间2 h,铝镁热压温度440℃保温时间8 h时,复合材料力学性能最优,抗弯强度为380 MPa,冲击韧度为26.2 J/cm^(2),相对于基体抗弯强度和冲击韧性分别提高了10.8%和30.3%。

Ti/Ti-Al微叠层复合材料的微观组织与性能研究

采用大功率电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备了厚度为0.12mm的大尺寸Ti/Ti-Al叠层状复合材料.利用XRD和SEM对材料的组成相和微观结构进行了分析,对致密化处理前后的试样进行了不同温度下的静拉伸试验研究.实验结果表明:材料由Ti,α2-Ti3Al和γ-TiAl相组成,具有明显的层状结构,晶粒平均尺寸为100～300nm.相对于TiAl单体材料,微叠层材料的韧性有了较大提高,经致密化处理后的试样在层间界面对裂纹的钝化作用下,具有较高的拉伸强度,并表现出良好的延迟断裂特性.

一种多层厚微叠层材料再结晶行为的研究

在1050℃的真空条件下,对一种NiCoCrAl/ZrO2-8Y2O3(质量分数,%,下同)(YSZ)多层厚微叠层材料试样分别进行了0.5,2和4h热处理,以研究其再结晶行为。该微叠层材料除了含有金属/陶瓷薄叠层结构外,还包含5层厚度在5~25μm之间的厚金属韧性层。研究表明,在热处理过程中,厚度小于13μm金属层较容易发生再结晶,而且再结晶的晶粒尺寸随着层厚的增加而增加;而厚度超过20μm的金属层则较难发生再结晶。此外,结合对试样中热应力的有限元分析,探讨了金属韧性层厚度对其再结晶行为的影响机理。

EB-PVD制NiAl/Al_2O_3微叠层复合材料的研究

采用多电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)制备了总厚度为0.3mm的NiAl/Al2O3微叠层复合材料,并对该复合材料的组织结构和性能进行了研究。组织结构研究表明该复合材料具有多层的结构特征,其组织由纳米级NiAl微晶层和Al2O3层交替叠加而成。NiAl/Al2O3层界面平直清晰,NiAl颗粒和Al2O3颗粒在层界面处没有明显的混合现象。性能测试表明该材料的室温硬度值达到800HV,明显高于同制备态下的NiAl沉积薄膜,同时该材料具有良好的高温抗氧化性,其经1050℃,100h静态氧化后,氧化增重约为1.9mg/cm2,介于等原子比NiAl铸态合金的氧化增重和含有活性元素的NiAl铸态合金的氧化增重之间。组织稳定性研究表明当温度高于900℃时,该复合材料的晶粒急剧长大,多层的结构特征消失。

Al-Ti微叠层材料结构优化及抗侵彻性能仿真模拟

基于LS-DYNA软件模拟分析了Al-Ti微叠层材料结构不同时的抗侵彻性能,研究了微叠层结构中Ti体积分数和叠层结构变化对抗侵彻性能的影响,分析不同背板材料及面密度时Al-Ti微叠层复合靶板的抗侵彻性能。结果表明,当Ti体积分数为27.7%时材料抗侵彻性能最好;?7.62 mm穿燃弹在初速为808 m/s时侵彻微叠层材料的极限厚度为12 mm,?12.7 mm穿燃弹在初速为818 m/s、488 m/s时侵彻微叠层材料的极限厚度分别为18 mm和11 mm。韧性层呈正向梯度分布的Ti/AlTi微叠层复合材料靶板的抗侵彻性能优于反向梯度分布及均匀分布的靶板;Al-Ti微叠层材料靶板与Q235钢背板的厚度比为2∶1时抗侵彻性能最好;Al-Ti微叠层材料与AZ31镁合金构成复合靶板的抗侵彻性能最佳。

微叠层结构材料的研究现状

本文论述了微叠层材料性能优越于单体材料的原因 :该材料的层间距较小 ,限制了位错的移动和缺陷的尺寸。微叠层材料制备方法有多种 ,磁控溅射是制备纳米级微叠层材料的有效方法。Hall Petch理论 ,Orowan变形理论 ,多微粒模型等是计算层间应力的较好的理论。本文也提出了目前有发展前途的几种微叠层材料 ,并认为制备纳米级微叠层材料、研究其断裂和脱层机理。

EB-PVD制备Cu/Mo-Ti微叠层复合材料及性能研究

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)法制备了Cu/Mo-Ti微叠层复合材料,采用XRD、SEM和EDS法对材料的物相、微观组织结构和成分进行表征,利用3010型拉伸试验机和直流低电阻测试仪对材料的力学性能和电性能进行了测试。结果表明:Cu/Mo-Ti微叠层复合材料室温最大抗拉强度为271 MPa,导电率为89%IACS;当温度从25℃升高到300℃,材料抗拉强度由271 MPa降低到131 MPa,伸长率由3.4%升高到8%;在拉伸过程中,材料以分层断裂形式断裂。

微叠层复合材料的制备现状及连接难点讨论

本文阐述了微叠层复合材料的增韧机理、制备工艺和连接难点。微叠层复合材料通过韧性层的塑性变形拦截裂纹扩展路径,屏蔽裂纹之间的桥接,改善材料的断裂韧性。目前,制备微叠层复合材料的方法主要有热压扩散成形、自蔓延高温合成、磁控溅射沉积及电子书物理气相沉积等。熔焊时,微叠层复合材料的连接难点在于焊缝组织的不均匀性,可能会造成部分熔合及其他缺陷;钎焊时微叠层复合材料的连接难点在于钎料的选择。微叠层复合材料具有高的强度和耐高温性能,而且质量较单体合金轻,在航空制造中将会起到举足轻重的作用。

PtTi0.5Zr0.2/Ti微叠层复合材料的制备及性能研究

将0.14 mm厚PtTi0.5Zr0.2合金片和0.08 mm厚Ti片依次叠放,经850℃/2 h真空热压烧结后,分别采用冷轧和热轧工艺制备PtTi0.5Zr0.2/Ti微叠层复合材料。研究了轧制工艺对微叠层复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明:在850℃热压烧结2 h,叠层复合材料界面形成冶金结合,并有少量Ti_(3)Pt金属间化合物形成;采用冷轧工艺,单道次变形量为10%~15%,累积变形量至50%后进行500℃/1 h中间退火,然后继续冷轧直至复合坯厚度至0.2 mm、总变形量超过90%,由此得到的PtTi0.5Zr0.2/Ti微叠层复合材料的层间距为20~30μm,且各叠层保持连续,厚度均匀,平行度好;PtTi0.5Zr0.2/Ti微叠层复合材料抗拉强度为657 MPa,延伸率达9.46%。

铝铜微叠层复合材料制备和组织性能研究

通过真空热压法制备出铝铜金属间化合物微叠层复合材料,研究了保温时间、热压温度等工艺参数对成形过程的影响.采用SEM对结合界面进行显微形貌观察,利用EPMA表征界面处元素分布,确定出扩散层的数量和种类;通过显微硬度测试分析结合界面处的硬度分布.另外,分析了不同工艺条件下铝铜微叠层复合材料的导电率和导热系数.结果表明:随热压温度升高,铝铜微叠层复合材料结合界面处扩散层析出相种类逐渐变多、厚度逐渐增加,同时导致复合材料导电率呈现出先升后降,而导热系数则保持单调下降的态势.显微硬度的测试结果呈现由Cu层和Al层向扩散层急剧增大的规律,且在扩散层中部硬度达到最大值.最终确定热压温度570℃、保温时间4 h为较优的制备工艺,获得的铝铜微叠层复合材料导电率为55.75%(IACS),导热系数为258.3 W/(m·K).

Fe-Al微叠层复合材料的制备及界面表征

将多层纯铁和纯铝薄板交替叠放,采用“热轧复合—冷轧减薄—合金化热处理”工艺流程制备了Fe-Al金属/金属间化合物微叠层复合材料(Fe-Al MIL),研究了合金化温度对该复合材料微观组织、相组成、相变及力学性能的影响.结果表明:所制备的Fe-Al微叠复合材料Fe/Al界面结合状态良好;随合金化温度的升高,化合物层厚度随之增加,当温度低于Fe-Al固-半固态反应温度655℃时,Fe_(2)Al_(5)和FeAl是化合物层的主要物相,而高于655℃时,则会在化合物层和Fe金属界面处出现少量交替分布的FeAl_(3)和Fe_(3)Al;DSC曲线上呈现出~559,~571和~667℃三个放热峰,分别代表FeAl_(3),Fe_(2)Al_(5)和FeAl的相转变;固-固和固-液合金化后得到的Fe-Al MIL力学性能较差,均易发生分层断裂现象,而固-半固态合金化热处理后其力学性能最佳.

冷轧热处理钛-铝箔制备微叠层Ti-Al系金属间化合物板材(英文)

通过钛箔、铝箔叠加烧结制备出微叠层Ti-Al系金属间化合物合金板材。对不同烧结条件下获得的板材组织和相组成进行分析。结果表明,当烧结温度到达到Al的熔点以上时,高温自蔓延反应(SHS)在Ti箔和Al箔之间发生,生成α-Ti、Ti3Al、TiAl、TiAl2和TiAl3等相;随着烧结时间的延长,α-Ti、TiAl2和TiAl3逐渐消失,最终获得包含Ti3Al和TiAl的叠层结构板材。由于铝的熔化,柯肯达尔效应和反应前、后摩尔体积的变化在烧结过程中产生大量的孔洞,随后的热压处理将孔洞消除并获得致密的合金板材。

组元层厚对TC4/Al_(3)Ti微叠层复合材料性能影响

以TC4箔材和纯Al箔材为原材料,用高真空热压法制备了TC4/Al_(3)Ti微叠层复合材料,研究了组元层厚对复合材料组织与性能的影响。使用金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜和场发射电子探针对复合材料的显微组织、裂纹断口进行分析。结果表明,当试样厚度及试样内Al_(3)Ti体积分数一定时,组元层厚越小,复合材料力学性能越优异。当堆叠层数为55层时,组元层厚最小,材料性能最佳,其抗弯强度为970 MPa,垂直于层的抗压强度为1 307 MPa,平行于层的抗压强度为1 206 MPa。