(TiBw+(TiZr)xSi3)/TA15复合材料的高温氧化行为与抗氧化机理

To solve the bottleneck of insufficient oxidation resistance of TiB whisker (TiBw) reinforced titanium matrix composites at 600-850 oC, the (TiBw+(TiZr)xSi3)/TA15 composite with two-scale network structure was designed, basing on the investigation of first-scale network structure. Through adjusting the powder metallurgy process, the target distribution of (TiZr)xSi3 at α/β phase boundary was achieved and the second-scale network structure was formed, in order to simultaneously enhance the strength and oxidation resistance of composite. The high-temperature oxidation behavior of the (TiBw+(TiZr)xSi3)/TA15 composite will be clarified via the cyclic and isothermal oxidation tests. Combing with the microstructural evolution, the formation mechanism of silicide and the influence of silicide fraction on the microstructure and property of the (TiBw+(TiZr)xSi3)/TA15 composite will be illustrated. The adsorption energy of O on Ti surface, reinforcement surface, and Ti-reinforcement interface, and the binding energy of Ti-oxide interface will be calculated by the first-principles method. Therefore, the pining effect of the hybrid reinforcements and two-scale network structure on the oxide scale will be analyzed from macroscale to microscale. The oxide scale toughening can be obtained by oxide refinement, which will be investigated by quasi in-situ method with oxidation analyzer and microstructural characterization technique. The present research can provide reference for the application study of titanium matrix composites and the microstructure design of other composites.

为解决TiB晶须(TiBw)增强钛基复合材料高温(600-850oC)抗氧化性能不足的瓶颈，在一级网状结构基础上，设计两级网状结构TiBw与(TiZr)xSi3混杂增强TA15复合材料，即(TiBw+(TiZr)xSi3)/TA15。通过粉末冶金工艺调控实现(TiZr)xSi3在α/β相界处靶向分布并形成二级网状结构，以期同时提高复合材料的强度与抗氧化性能。通过循环与等温氧化试验，阐明复合材料的高温氧化行为；结合组织演化，阐明硅化物的形成机制及其含量对复合材料组织和性能的影响规律。结合第一性原理计算氧在钛表面、增强相表面、增强相-钛界面上的吸附能，及氧化产物-钛界面的结合能，从宏观和微观尺度揭示混杂增强相与两级网状结构对氧化层钉扎的抗氧化机理。利用高温氧化分析仪与组织表征技术，准原位研究氧化产物颗粒细化增韧氧化层的抗氧化机理。该项目将为钛基复合材料应用研究及其它金属基复合材料设计提供参考。

为解决TiBw晶须增强钛基复合材料在600-850 oC高温范围内抗氧化性能不足的问题，在一级网状结构复合材料的基础上，设计并制备了系列两级网状结构(TiBw+(TiZr)xSi3)/TA15复合材料。通过粉末冶金工艺调控实现了硅化物在α/β相界处靶向分布并形成二级网状结构，而TiBw晶须分布在钛合金基体周围形成一级网状结构，以期望在提高复合材料抗氧化性能的同时，不降低复合材料的力学性能。本项目主要研究了两级网状结构复合材料的设计与制备，研究了硅化物的形成机制及其含量对复合材料组织和力学性能的影响规律，通过调控Si源加入量设计二级网状结构中硅化物的种类、形貌、分布、含量和尺寸。研究了复合材料循环氧化和等温氧化行为，结合多种组织表征，研究了复合材料氧化前后形貌特征，阐明了氧化层形成机制。结合氧化行为、组织表征和理论计算结果，揭示了复合材料的抗氧化机理。通过项目研究，发现复合材料循环氧化遵循抛物线氧化增重规律，相比于其它构型复合材料具有优异的抗氧化性能。复合材料表面氧化物的物相演变与形貌演变同时受热力学因素与动力学因素影响。氧化时间较短或温度较低时，表面氧化物以Ti3O/Ti6O为主，形貌上呈纳米短针状；氧化时间较长或温度较高时，表面氧化物以TiO2及Al2O3为主，形貌上为柱状氧化物与针状氧化物的混合。氧化初期复合材料的氧化行为与基体表面的晶粒取向有关。基体α-Ti中取向接近(0001)方向的晶面由于原子密堆积，具有更少的氧空位，因而短时氧化后其表面的氧化膜较薄，具有更优异的抗氧化性能。复合材料表面氧化膜的基本结构由最外层TiO2/Al2O3混合层与内侧TiO2层组成，其中Ti-O氧化物的形成与演变受氧原子的固溶机制与氧化反应机制影响，Al2O3的形成主要与Al离子的外扩散过程有关。氧化温度较高时，硅化物与基体中固溶的Si原子发生氧化反应，生成SiO2弥散分布在氧化膜中。