Ti/Al2O3复合材料界面微区结构演变与性能关系

Ti/Al2O3复合材料一直是人们致力研究的一类新型结构功能材料，但Ti与Al2O3在高温下易发生剧烈界面反应，加之目前采用的激光熔覆、自蔓延高温合成、粉末冶金等制备技术均有其局限性，使得Ti/Al2O3复合材料实用化尚未取得突破。在利用放电等离子烧结技术成功制备出Ti/Al2O3复合材料基础上，本课题组拟采用真空热压烧结等相对低成本制备技术，从研究Ti/Al2O3界面微区结构入手，通过添加纳米金属颗粒及金属间化合物来改善Ti/Al2O3界面区微结构，采用多种手段跨尺度表征高温下Ti与Al2O3界面区微结构演变与性能之关系，系统研究Ti/Al2O3复合材料的环境行为演变规律，揭示二者在高温条件下的复合机理、界面反应以及微观结构控制的机制，通过优化制备工艺，获得性能优良的Ti/Al2O3复合材料，为实现其在航空航天、能源、冶金、机械等高技术领域开发应用提供理论依据和实验探索。

本课题主要内容是在SPS烧结制备Ti/Al2O3复合材料的基础上，在真空热压烧结条件下，添加纳米金属及金属间化合物改善Ti-Al2O3界面产物及微区结构，探讨Ti-Al2O3界面反应机制，以期制备结构致密、性能优异的Ti/Al2O3系复合材料。. 采用叠层粉末法，在真空热压烧结条件下利用XRD、EDS、SEM等研究Ti-Al2O3界面反应机制。结果表明，Ti与Al2O3界面反应类型为界面反应扩散型即首先氧化铝发生分解，分解出的Al原子扩散进入金属Ti中，发生界面反应，在富Ti区生成Ti3Al相，富Al区生成TiAl相，O原子则以固溶体的形式进入金属Ti中。. 选用纳米Ni和金属间化合物Ni-Ti为添加剂，探讨高温条件下原子的扩散规律。研究发现：少量纳米Ni的掺入，能够有效抑制强烈界面反应，使Al原子在金属Ti中的扩散距离由109.6µm减少到68.5μm，并在界面层发现了少量Al-Ni金属间化合物，减少了脆性Ti3Al相的生成，TiAl相增多，且O原子在Ti中的固溶量降低。而金属间化合物Ni-Ti掺入对改善Ti-Al2O3的界面反应效果不够明显。. 探讨了Ti/Al2O3体系复合材料的制备工艺、添加剂掺入量与材料组成、结构、性能之间的关系，利用正交实验优化了烧结工艺：烧结温度1400℃，保温时间60min，升温速率20℃/ min，纳米Ni的掺量3vol%。在此工艺条件下，制备出40vol%Ti/Al2O3复合材料的弯曲强度384.27±13.11MPa，断裂韧性8.02±1.23MPa•m1/2，显微硬度为16.16GPa，相对密度98.91%。