Ti5Si3_TiAl复合材料的压力浸渗及蠕变行为研究

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1、硕士学位论文Ti5Si3/TiAl复合材料的压力浸渗及蠕变行为研究PRESSUREINFILTRATIONANDCREEPBEHAVIOROFTi5Si3/TiAlCOMPOSITE易叶帆哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG454学校代码：10213国际图书分类号：621.791密级：公开工学硕士学位论文Ti5Si3/TiAl复合材料的压力浸渗及蠕变行为研究硕士研究生：易叶帆导师：李爱滨副教授申请学位：工学硕士学科：材料学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG454U.D.C:621.791Dis

2、sertationfortheMasterDegreeinEngineeringPRESSUREINFILTRATIONANDCREEPBEHAVIOROFTi5Si3/TiAlCOMPOSITECandidate：YiYefanSupervisor：AssociateProf.LiAibinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Co

3、nferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着航空航天领域的发展，对高温结构材料的性能提出了更高的要求。其中TiAl基合金以高比强度、良好的抗蠕变性能、抗氧化性能等优点被认为是在航空航天领域应用前景最大的高温结构材料之一。而在TiAl基合金中加入增强相颗粒制成TiAl基复合材料可以进一步提高热稳定性。本课题拟通过反应烧结在TiAl中原位生成Ti5Si3增强相，以获得抗蠕变性能优异的Ti5Si3/TiAl复合材料。本文采用压力浸渗结合热压烧结工艺制备了不同增强相含量的Ti5Si3/TiAl复合材料，通

4、过片层化热处理期望得到全片层组织，获得更优异的蠕变性能。探究了温度和颗粒形状对浸渗制备的影响，利用有限元模拟软件分析了浸渗过程中的渗流场。对Ti5Si3/TiAl复合材料的微观组织结构进行观察表征，并测定了密度、硬度和拉伸性能，通过高温蠕变试验对复合材料进行了蠕变行为研究，探究了温度和应力对蠕变机制的影响。随着浸渗温度的升高，Al-Si合金的流动性更好，复合材料致密度更高，故选择800℃为压力浸渗的温度。球形钛粉所制备的Ti5Si3/TiAl复合材料的相组成为Ti、TiAl和TiAl3，说明此时反应不充分。而不规则钛粉所制备的复合材料的相组成是TiAl和Ti3Al。通过有限元软件CFD

5、对不同形状Ti粉在浸渗过程的渗流场进行模拟，液态Al-Si合金在球形颗粒的流速最小，而在正方体中的最大，温度升高可以使流速加快。通过压力浸渗制备的Ti5Si3/TiAl复合材料致密度良好，得到了全片层组织，片层组织由α2/γ构成，Ti5Si3颗粒沿原始钛颗粒边界分布。随着增强相含量增加硬度从HRC30.6增长到HRC46.5。700-850℃高温拉伸试验结果表明Ti5Si3/TiAl复合材料的韧脆转变温度在800-850℃之间，在800℃时3.5vol.%Ti5Si3/TiAl复合材料具有最高的抗拉强度和屈服强度，分别达到了507.6MPa和410.2MPa。复合材料的断裂方式以穿片层

6、断裂为主，在850℃时，复合材料为韧性断裂，包含多种断裂特征。Ti5Si3/TiAl复合材料在700-775℃、150-225MPa下的蠕变实验结果表明Ti5Si3含量的增加可以提高TiAl复合材料的蠕变抗力。对蠕变应力指数和蠕变激活能进行拟合，得到蠕变试验条件为700-775℃、150-225MPa下3.5vol.%Ti2.145Si3/TiAl复合材料的蠕变本构方程可以用?̇=0.894σexp(-264375/RT)来描述。在蠕变过程中片层组织会向等轴γ晶粒的转变，即发生α2→γ的反应。-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文在低温(700℃)时，蠕变应力指数n值在1-2之间，蠕变变

7、形机制为位错滑移机制和晶界滑移机制；在高温(775℃)或高应力状态(225MPa)下，蠕变应力指数n值在7-10之间，蠕变变形机制主要为位错攀移机制和形变孪晶机制。关键词：Ti5Si3/TiAl复合材料；压力浸渗；片层组织；蠕变行为-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentoftheaerospacefield,ithasbroughthigherrequirementsforhigh-tempe