基于热压烧结的Ti/Al2O3复合材料可控制备与性能优化研究

Ti/Al2O3 composite is a new structure functional material that many efforts have been paid. Based on the previous research, the paper that deals with sintering synthesis mechanism of Ti/Al2O3 composite is further studied and simultaneously the relationship of composition design, interface structure and mechanical properties is discussed in the condition of vacuum hot pressing. The elemental diffusion at interface and formation sequences of interface phases are lucubrated in order that the reaction of Ti-Al2O3 interface can be improved. The key problem of Ti3Al brittle phase forming due to interface reaction at high temperature can be solved by adding Niobium, Y2O3 and CeO2 which inhibit the formation of Ti3Al phase and the vehement interface by controlling interface reaction and chemical combination in order to optimize the component and structure of interface. SEM, TEM, EPMA and EDS will be adopted to reveal the interface reaction, evolution of micro area structure and mechanism of control in order to optimize material component and preparation technology so that Ti/Al2O3 composites with good performance will be obtained. The results of research will supply theoretical basis and experimental exploration for their use in aerospace, cutting tool and advanced manufacture applications.

将钛金属与氧化铝陶瓷复合是人们致力研究的一类新型结构功能材料，本课题在前期研究基础上，深入研究真空热压条件下，Ti/Al2O3复合材料的烧结合成机理，探讨组成设计、界面结构、力学性能之关系。研究界面元素扩散行为、产物相形成序列等问题，完善Ti-Al2O3界面反应模型；设计引入纳米金属Nb、Ni和稀土氧化物Y2O3、CeO2等，通过它们高温下的化合作用来实现对Ti-Al2O3界面反应的控制，抑制Ti3Al相生长和强界面的形成，优化界面相组成及其结构，解决高温下生成脆性Ti3Al相的难题；采用SEM、TEM、EPMA和EDS等手段，揭示Ti-Al2O3界面反应、微区结构演变与控制机理，优化材料组分与制备工艺，获得性能优良的Ti/Al2O3复合材料。研究成果将为其在航空航天、新型刀具、先进制造等高技术领域应用提供理论依据和实验探索。

Ti/Al2O3金属陶瓷复合材料作为一种新型的结构功能材料，在航天航空、化学化工、机械制造和电子信息等领域具有广阔的应用前景。本项目利用真空热压烧结技术，从Ti/Al2O3金属陶瓷复合材料的烧结合成机理入手，研究了Ti-Al2O3界面元素的扩散路径及界面反应层厚度，发现界面反应产物组成、结构及形成次序主要是由Al元素扩散控制的；从动力学角度求解界面反应层元素的扩散系数，建立了Ti-Al2O3界面反应层厚度与烧结温度和保温时间之间的动力学方程：d=182.5exp (-6.6×104/RT)t0.48，完善了热压烧结条件下Ti/Al2O3复合材料的烧结机理及扩散模型。在复合材料体系中引入金属Nb、纳米Ni和稀土氧化物Y2O3、CeO2等，通过高温化合作用调控Ti-Al2O3界面反应，抑制界面处Al元素的扩散距离和浓度，其界面反应激活能与无掺杂试样相比分别提高了2.58%、30.3%、2.27%和94.24%，阻碍强界面的形成，优化界面区微观结构，解决高温下剧烈界面反应和脆性Ti3Al相生成这一技术难题，实现材料结构与性能可控和较低温度下致密烧结，揭示了Ti-Al2O3界面反应、微区结构演变与控制机理；研究了不同添加剂掺量及烧结制度对Ti/Al2O3复合材料物相组成、界面结构和性能的影响规律，确定各添加剂最优掺量和最佳烧结工艺，获得性能优良的Ti/Al2O3复合材料，为Ti/Al2O3复合材料的规模化生产奠定了理论基础。