论文摘要
为了改善Ti C等难熔金属碳化物陶瓷的烧结性能与力学性能,本文利用（Ti,W）C固溶体中W的固溶度随C含量变化的规律,提出了Ti/Zr活性金属诱导（Ti,W）C反应析出第二相制备（Ti,W）C基复合材料的新思路。以（Ti,W）C固溶体和Ti H2/Zr H2粉末为原料,依据C-W-Ti-Zr体系的热力学计算结果进行复合材料的成分设计与工艺优化,低温热压烧结制备了具有自生纳米析出相结构的（Ti,W）C-W与（Ti,Zr,W）C-（Zr,Ti）C-W两种复合材料。采用X射线、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、能谱等表征手段和压痕法、三点弯曲等测试方法详细研究了烧结温度、原始（Ti,W）C固溶体中W含量及Ti的添加量等因素对（Ti,W）C基复合材料组织结构与力学性能的影响规律。优化材料的成分和制备工艺。采用（Ti,W）C与Ti/Zr的扩散偶试验,系统研究了（Ti,W）C与Ti/Zr界面扩散层的显微组织形貌随温度与时间的变化规律,阐明了（Ti,W）C与Ti/Zr的反应过程,揭示了复合材料中W（Ti）相的析出机理。研究结果表明,（Ti0.76,W0.24）C-30mol.%Ti H2在1300～1800℃/30MPa/1h热压烧结制备的（Ti,W）C-W复合材料,均由（Ti,W）C和W（Ti）两相组成。随烧结温度的升高与保温时间的延长,复合材料的致密度增加、晶粒尺寸增大。W（Ti）析出相的含量随温度升高先增加后减少,成分基本不变,但析出位置逐渐从晶内/晶间析出共存到以晶间析出为主转变。随着烧结温度的升高,（Ti,W）C-W复合材料的抗弯强度升高,硬度先急剧增加后基本保持不变;断裂韧性随着温度的升高先增加而后降低,最佳烧结工艺为1500℃/30MPa/1h,对应其硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为16.2GPa、380MPa和4.43MPa·m1/2。在1500℃/30MPa/1h热压烧结条件下,随着原料（Ti,W）C固溶体中W含量增加,（Ti,W）C-W复合材料的致密度及组织均匀性下降;（W,Ti）析出相含量降低,同时其形状从球形逐渐向呈平行分布的长棒状转变,复合材料的硬度及断裂韧性下降。随着Ti添加量增加,晶界析出相含量增加,晶内析出相的含量则先增加后减少,晶粒尺寸变大。复合材料的硬度降低、断裂韧性提高。在Zr诱导（Ti,W）C反应析出制备的（Ti,W）C基复合材料由（Ti,Zr,W）C、（Zr,Ti）C及W（Ti）三相固溶体构成。随着烧结温度的升高,复合材料中（Zr,Ti）C及W（Ti）相的含量降低,复合材料的硬度升高,断裂韧性略微降低,最佳烧结工艺为1800℃/30MPa/1h,复合材料综合力学性能最优,其硬度、弹性模量、抗弯强度和断裂韧性分别是18.9GPa、397GPa、474MPa和4.05MPa·m1/2;在此工艺下,随着原料（Ti,W）C中W含量的升高,复合材料的致密度降低,析出相的尺寸减少且含量降低,析出位置从晶间析出向晶内析出转变,复合材料硬度和断裂韧性降低。扩散偶的研究结果表明,在1500℃/1h的扩散工艺条件下,（Ti,W）C与Ti界面扩散层中新形成了（Ti,W）Cx+W（Ti）、β-Ti（W）以及Ti Cx相三层中间层,（Ti,W）C-Zr界面扩散层则只有（Ti,W）Cx+W（Ti）与Zr Cx相;扩散动力学结果表明新生成的各层生长均受扩散控制。（Ti,W）C与Ti/Zr的反应过程类似,均是从（Ti,W）C固溶体的脱C开始,C与Ti/Zr反应分别生成Ti Cx/Zr Cx,（Ti,W）C脱C之后失稳分解产生W（Ti）相;随着反应温度的升高,新形成的Ti Cx与失稳分解的（Ti,W）C进一步扩散反应生成新相（Ti,W）C,并在降温过程中发生二次晶内析出;Zr Cx与失稳分解的（Ti,W）C之间的反应则主要是Ti-Zr间的扩散传质,形成了（Zr,Ti）C与（Ti,Zr,W）C两相。
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摘要ABSTRACT第1章 绪论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 1.2 超高温碳化物陶瓷 1.2.1 碳化物的基本性质及应用 1.2.2 碳化物陶瓷基复合材料研究进展 1.3 碳化物-难熔金属复合材料 1.3.1 碳化物-W复合材料 1.3.2 碳化物-Mo复合材料 1.3.3 碳化物-Nb复合材料 1.4 碳化物固溶体 1.5 碳化物固溶体的脱溶析出行为 1.5.1 碳化物固溶体的调幅分解 1.5.2 碳化物固溶体的脱溶沉淀 1.6 难熔金属碳化物的研究中存在的问题 1.7 本文研究内容第2章 试验材料及研究方法 2.1 材料的试验设计及实施方案 2.2 试验用原材料 2.3 材料的制备及组分设计 2.3.1 复合粉体的制备 2.3.2 材料的设计 2.4 组织结构分析 2.4.1 密度测试 2.4.2 XRD分析 2.4.3 SEM观察 2.4.4 TEM观察 2.5 力学性能测试 2.5.1 抗弯强度 2.5.2 维氏硬度 2.5.3 断裂韧性 2.5.4 纳米压痕 2.6 扩散偶实验第3章 Ti诱导（Ti,W）C基复合材料反应析出行为与力学性能 3.1 引言 3.2 C-Ti-W体系的热力学计算 3.3 烧结工艺对 Ti 诱导（Ti, W）C 基复合材料纳米相析出行为及力学性能的影响 3.3.1 烧结温度对 Ti 诱导（Ti, W）C 基复合材料中纳米相的析出行为与力学性能的影响 3.3.2 保温时间对 Ti 诱导（Ti, W）C 基复合材料纳米相析出行为与力学性能的影响 3.4 固溶体中W含量对（Ti,W）C基材料纳米相析出行为与力学性能影响 3.4.1 固溶体中W含量对（Ti,W）C基复合材料物相的影响 3.4.2 固溶体中W含量对（Ti,W）C基复合材料显微组织影响 3.4.3固溶体中 W含量对（Ti,W）C基复合材料力学性能影响 3.5 Ti 的添加量对（Ti, W）C 基复合材料中纳米相析出行为与力学性能的影响 3.5.1 Ti的添加量对（Ti,W）C基复合材料物相的影响 3.5.2 Ti的添加量对（Ti,W）C基复合材料显微组织的影响 3.5.3 Ti的添加量对（Ti,W）C基复合材料力学性能的影响 3.6 纳米析出相表征及析出机理分析 3.6.1 固溶体中W含量对析出相TEM形貌的影响 3.6.2 Ti的添加量对析出相TEM形貌的影响 3.6.3 纳米相的析出过程分析 3.7 本章小结第4章 Zr诱导（Ti,W）C基复合材料反应析出行为与力学性能 4.1 引言 4.2 （Ti,W）C与 Zr反应过程的热力学计算 4.3 烧结温度对 Zr 诱导（Ti, W）C 基复合材料中纳米相析出行为与力学性能的影响 4.3.1 烧结温度对复合材料物相的影响 4.3.2 烧结温度对复合材料显微组织的影响 4.3.3 烧结温度对复合材料力学性能的影响 4.4 固溶体中 W含量对 Zr诱导（Ti, W）C 基复合材料中纳米相析出行为与力学性能的影响 4.4.1 固溶体中W含量对复合材料物相的影响 4.4.2 固溶体中W含量对复合材料显微组织的影响 4.4.3 固溶体中W含量对复合材料力学性能的影响 4.5 Ti/Zr诱导析出反应中（Ti,W）C基复合材料的组织结构与力学性能 4.5.1 Ti/Zr诱导析出反应中（Ti,W）C基复合材料的物相组成 4.5.2 Ti/Zr诱导析出反应中（Ti,W）C基复合材料的显微组织 4.5.3 Ti/Zr诱导析出反应中（Ti,W）C基复合材料的力学性能 4.5.4 （Ti,W）C基复合材料的强韧化机制 4.6 本章小结第5章 Ti/Zr诱导（Ti,W）C析出行为与组织演变 5.1 引言 5.2 （Ti,W）C与 Ti的界面扩散层的组织结构 5.2.1 （Ti,W）C与 Ti的界面扩散层的显微组织 5.2.2 （Ti,W）C与 Ti的界面扩散层的物相 5.3 （Ti,W）C-Ti界面的扩散热力学与动力学 5.3.1 （Ti,W）C-Ti界面的扩散热力学 5.3.2 （Ti,W）C-Ti界面的扩散动力学 5.3.3 （Ti,W）C-Ti界面扩散层内激活能的计算 5.4 （Ti,W）C-Ti界面扩散层的形成机制 5.5 （Ti,W）C-Zr界面扩散层的组织演变模型 5.6 Ti/Zr诱导（Ti,W）C基复合材料的反应析出行为 5.7 本章小结结论参考文献攻读博士学位期间发表的论文及其它成果致谢个人简历
文章来源
类型: 博士论文
作者: 贾鹏
导师: 王玉金,饶建存
关键词: 基复合材料,诱导析出,析出相,扩散偶,析出机理
来源: 哈尔滨工业大学
年度: 2019
分类: 工程科技Ⅰ辑
专业: 材料科学
单位: 哈尔滨工业大学
分类号: TB33
DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005107
总页数: 147
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标签：基复合材料论文; 诱导析出论文; 析出相论文; 扩散偶论文; 析出机理论文;
Ti/Zr诱导（Ti,W）C基复合材料的反应析出行为与力学性能
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