Ti_Al_2O_3梯度功能材料抗热震性能评价

第20卷第2期2006年4月

济南大学学报(自然科学版)

JOURNALOFJINANUNIVERSITY(Sci.&Tech1)

Vol.20　No.2

Apr.2006

文章编号:1671-3559(2006)02-0095-03

Ti/Al2O3梯度功能材料抗热震性能评价

王　志1,季英瑞2,史国普1

(1.济南大学材料科学与工程学院,山东济南250022;2.,250014)

摘　要:采用热压烧结(HP)、完整的Ti/Al2O3梯度功能材料,并分别在600:裂纹,没有发生失稳断裂,力缓和性能。

关键词:梯度功能材料;抗热冲击;抗热疲劳中图分类号:TB333

文献标识码:A

2O3梯度功能材料是通过有限元软件模拟

材料热应力计算得出最佳分布指数为P=0.8、共11层、每层厚度为0.5mm的设计方案,每层成分组

成如表1所示。将各层材料经压制成型后依次叠放到石墨模具中,在真空热压炉中以1450℃、25MPa条件下烧结,制备出结构完整的Ti/Al2O3FGM[7]。利用扫描电镜、金相显微镜对FGM的微观组织结构和成分分布进行分析。

表1　Ti/Al2O3梯度功能材料各层成分质量分布

Ti

Ti的

Al2O3

Al2O3的

Nb的

梯度功能材料(functionallygradedmaterials,简称FGM)是由新野正之等人在1987年提出的一种全新的复合材料概念[1],其优点之一是其组成可按需设计,可消除传统陶瓷/金属宏观结合界面,达到热应力缓和的目的[2]。Al2O3陶瓷是一种优良的耐高温材料,具有优异的热力学特性[3],金属Ti质轻、耐腐蚀、耐高温,有着优良的热电传导性且资源丰富[4],Ti及其合金都是航空航天工业中不可缺少的材料,将两者结合起来制备出性能优良的梯度功能材料,一直是航天航空材料学家的梦想。文献[5]、[6]对Ti/Al2O3复合材料的界面反应性能、力学性能、烧结特性等做了研究,但Ti/Al2O3梯度功能材料的研究还甚少,特别是其性能表征尚未见有报道。本文中采用热压烧结工艺制得结构完整的Ti/Al2O3梯度功能材料,并对其抗热震性进行了评价。

层数

含量/%

1009080706050403020100

质量/g

3.18631.43381.27451.11520.95590.79660.63730.47790.31860.15930

含量/%

0102030405060708090100

质量

/g00.14020.28050.42070.5610.70120.84140.98171.12191.26221.4024

质量

/g00.08170.07270.05830.04540.03410.02420.01590.00910.0030

1234567891011

将试样切成尺寸为6mm×6mm×6mm的正方体在电炉中加热,保温30min后迅速淬入冷水中,然后再次加热再冷却的循环方式进行热震试验,考察FGM的高温性能,并观察裂纹在不同组分区域的扩

1　实验内容

原料采用Ti粉(纯度>99.6%,平均粒径为

7.76μm)α,-Al2O3粉(纯度为99.8%,平均粒径1.5μm)及少量的Nb粉(纯度为99%,平均粒径5.7μm)。

展情况。

2　结果与分析

2.1　材料微观形貌结构分析

Ti和Al2O3在高温条件下发生剧烈的界面反

应,并生成脆性的Ti3Al相,使得材料内部产生大量

收稿日期:2006-02-21

基金项目:山东省自然科学基金(2002F21);济南市科技明星计

划(50119)

作者简介:王　志(1962-),男,山东青岛人,教授,博士,硕士

生导师。

的气孔,降低材料的致密度,严重影响材料的力学性能和热学性能,Nb的加入有效地控制了两者之间的界面反应,使制备高性能的复合材料成为可能[5]。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　济南大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第20卷图1显示了中间5层的金相显微镜放大40倍时的照片,及对应的断面扫描电镜放大图像,可以看出,Ti/Al2O3系梯度功能材料无宏观界面存在,界面处结合紧密,结构完整

。

震性,材料的抗热震性是其力学性能和热学性能的综合表现。由于梯度功能材料的使用环境比较苛刻,

通常在高温、耐热环境下使用,因此,检测梯度功能材料高温性能非常必要。2.2.1　抗热震性试验在1000℃温差和急冷条件下,梯度材料受热冲击开裂,如图2a所示,从网状裂,也没,,无明显应力,裂纹产生于近Ti端,这Ti3Al相,而且裂纹沿等应力线扩展。图2c是对应放大b图局部裂纹偏转处,可以看出裂纹偏转是由于受到晶体阻碍。2.2.2　热疲劳性试验

在600℃的温差下急冷,并多次循环。经热冲

图1　2.2

　材料承受温度骤变而不被破坏的能力称为抗热

a表面;b,c切面

图2　抗热震性试验

击16次还没完全被破坏。图3为试样在热循环冲击10次的表面与侧面照片。

根据Griffith微裂纹理论[8]:实际材料中总是存在许多细小的裂纹或缺陷,在外力作用下,这些裂纹和缺陷附近产生应力集中现象。当应力达到一定程度时,裂纹开始扩展而导致断裂,因此断裂是裂纹扩展的结果。

图3a、b是侧面(梯度层面)显示出复杂的裂纹扩展形状,主裂纹产生在应力集中点,但裂纹互不连续,表现出热冲击开裂的不同特征。由于受冷热冲刷,相界面和原气孔处逐渐开裂形成微孔,微孔进一步扩大、聚集,连接形成热疲劳裂纹,如图3b所示,随后热疲劳裂纹以准静态方式扩展。

图3c、d是富Ti侧表面扫描图像,从图3c上可以看出,有少数裂纹产生,这是由于主裂纹产生于应力比较集中的富Ti侧,裂纹逐渐扩张,将表面逐渐

a,b梯度层面;c,d富Ti侧;e,f富Al2O3侧

循环掰裂,属于低应力断裂。在没有受到掰裂的区域,明显有金属蠕变皱褶特性,如图3d所示。这是由于随金属相Ti含量的增加,试样内部的弹性应变

图3　试样抗热疲劳试验

第2期　　　　　　　　　　　　　　　　王　志,等:Ti/AlO梯度功能材料抗热震性能评价　　　　　　　　　　　　　　　　　　　能逐渐增加导致了断裂韧性的增加,直至出现金属的蠕变性能。

图3e、f是富Al2O3侧表面的扫描图像,从图上看出表面比较平整,无明显的微裂纹,表现出明显的高强度性。这是由于富Al2O3侧陶瓷相为主,晶体结合强度比较高,根据断裂力学理论,材料的强度越高越难断裂,即晶界结合能大于材料的断裂能。图3f表现微孔开裂,但没有连接,并伴有晶粒长大现象。

因此,组成材料的梯度化,使材料的性能出现了由陶瓷高强度逐渐过渡到金属的高韧性。了热应力缓和特性,强度,裂和剥落。

cal,1990,37(2):253-2571

[3]　陆佩文.无机材料科学基础[M].武汉:武汉工业大学出版社,

1996.

[4]　工程材料实用手册编辑委员会.铝合金、镁合金、钛合金[M].

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[5]　王　志,许　坤.Ti/Al2O3复合材料性能研究[J].材料科学与

工程学报,2004,22(6):799-8011

[6]　王　志,许　坤,侯宪钦,等.对Ti/Al2O3界面微观结构及纤

维硬度的影响[J].(自然科学版),2003,17(4):

305-3081

[7],　志.[J].济南大学学

,2005,19(1):941

,张中太,焦金生.无机材料物理性能[M].北京:清华大

学出版社,1992:59-1051

3　结论

(1)对Ti/Al2O3梯度功能材料的断面扫描电镜

ThermalShockResistance

ofTi/Al2O3FGM

WANGZhi1,JIYing2rui2,SHIGuo2pu1(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,JinanUniversity,Jinan250022,China;2.ShandongTiezheng

ProjectTestingCenter,Jinan250014,China)

和金相显微镜观察,证明材料的组成结构完整且呈

一致连续梯度变化,界面层结合紧密、平整,无宏观裂纹出现。

(2)对Ti/Al2O3梯度功能材料试样的抗热震性和热疲劳试验表明,材料有较强的抗热冲击性能,裂纹萌生在应力比较集中的缺陷与空隙处,裂纹扩展也因材料的组成变化而出现多种方式,增加了材料的热应力缓和能力。

参考文献:

[1]　MNiino,THirai,RWatanabe.functionallygradientmaterials[J].Jour2

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shupedfuretionellygradied[J]1JapSocPowderandPowderMetallurgi2

Abstract:Theclose-knitinterfaceandfullstructureofTi/Al2O3functionallygradedmaterials(FGM)wereobtainedbyhotpressingsinteringmethod,itsthermalshockresistancewasstudiedunderthetemperaturedifference1000℃and600℃.Theresultsshowthatnocross-sectioncrevicethroughthegradedlayerwasfoundduringtheprocessofthermalshockandthematerialdidnotrapture.Thematerialshavegoodcharactersofthermalstressrelax2ationandhightemperature.

Keywords:functionallygradedmaterial;thermalshockresis2tance;resistingthermalfatigue

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1o6j.html