sic連續(xù)纖維增強ti基復(fù)合材料的界面擴散行為研究

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1、摘要SiC連續(xù)纖維增強Ti合金基復(fù)合材料(TMCs)具有高的比強度和比模量，被大量應(yīng)用作航空航天結(jié)構(gòu)材料。但是由于鈦的化學(xué)活性，在復(fù)合材料的復(fù)合固結(jié)及高溫服役條件下，SiC仍合金的界面處存在嚴(yán)重的界面反應(yīng)，形成一些脆性的界面反應(yīng)化合物，他們分布在界面的幾層反應(yīng)產(chǎn)物中。這些脆性的反應(yīng)產(chǎn)物可能成為裂紋源，顯著降低復(fù)合材料的機械性能。Sic爪基體的界面反應(yīng)是一個反應(yīng)擴散問題，由于涉及界面反應(yīng)擴散的組元、影響因素很多，形成的反應(yīng)產(chǎn)物層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，擴散系數(shù)的求法很困難。本論文通過SiC廠TAl擴散偶及不同SiC連續(xù)纖維增強TAl、n6舢4v、Super啦和幣2AlNb基

2、復(fù)合材料的制備及熱處理試驗，運用SEM、TEM、EDS和XRD技術(shù)對界面反應(yīng)區(qū)的形貌、元素分布及成分進(jìn)行分析，來探討復(fù)合材料界面反應(yīng)產(chǎn)物的形成序列以及反應(yīng)元素的擴散路徑。運用Fick第二擴散定律和半無限擴散偶在三元多相擴散系中的高斯解法，求解簡單界面反應(yīng)產(chǎn)物層和復(fù)雜界面反應(yīng)層中相關(guān)元素的擴散系數(shù)，從微觀機制方面討論界面反應(yīng)產(chǎn)物的生長特點及反應(yīng)元素的擴散特性。sic，rAl復(fù)合材料界面反應(yīng)擴散的路徑為：siCITbsIc2ITi5si3CxInc+n5si3c。lT．Al；sic門ri6A14V復(fù)合材料界面反應(yīng)擴散的完整路徑為：sicITi3sic2ITi5s

3、i3c。lncIn3siIn6AJ4v+面c；對于含有c涂層的sic纖維增強n6A14V復(fù)合材料，當(dāng)c被完全消耗完之后，反應(yīng)擴散的路徑為：sicITi3siC2lTi5si3c。lTicIn6A14V；scs．6sic纖維增強Ti．m金屬間化合物基復(fù)合材料晃面反應(yīng)擴散的路徑為：scs．6sicI(，ri，Nb)cI(nJ妯)5(Al，si)3c。I(Ti，Nb)cIm，Nb)3(si，A1)Isupera2∞2舢Nb卜n3Alc。在實驗條件下，對于含有c涂層的SiC纖維增強n基復(fù)合材料，當(dāng)c涂層沒有被消耗完之前，界面反應(yīng)產(chǎn)物層的生長符合拋物線規(guī)律，當(dāng)c涂層被

4、完全消耗完之后，界面反應(yīng)產(chǎn)物層的生長速率急劇上升，不滿足同～的拋物線規(guī)律。對于不含C涂層的SiC纖維增強Ti基復(fù)合材料，界面反應(yīng)產(chǎn)物層的生長均遵循拋物線生長規(guī)律，其界面反應(yīng)層的生長激活能順序為：Q乞．

5、n3SiC2中，晶界擴散占主導(dǎo)作用。C和Si原子在TiC層中具有最小的擴散系數(shù)，復(fù)合材料界面反應(yīng)過程中，反應(yīng)元素擴散通過TiC層的擴散是一個控制步驟。根據(jù)柯勒(Kolher)對稱熱力學(xué)模型，同時借助于米德瑪(Midema)生成熱模型，從熱力學(xué)上推導(dǎo)出三元體系的計算公式，得出Ti6A14V、Ti600、Super毗和Ti2A1Nb四種基體合金系中各組元的活度系數(shù)以及活度相互作用系數(shù)，利用擴散系數(shù)的熱力學(xué)因子和組元的示蹤擴散系數(shù)及自擴散系數(shù)，進(jìn)一步得到基體合金系中相關(guān)組元的互擴散系數(shù)。n元素的活度系數(shù)順序為：如。。。。，>，。。。。>‰。s，。，>‰。鴉刪，主要

6、的合金元素舢在四種基體中的互擴散系數(shù)的順序為：D』，塒"鯽>D』，冊n6御4P>D』，Ⅲs叩囂啦>D一，加啦腳6。通過TAl廠n6A14v擴散偶的制備及熱處理試驗，探討復(fù)合材料制備過程中的擴散連接問題。根據(jù)求得的溶質(zhì)元素的互擴散系數(shù)，通過唯象公式的Matlab偏微分方程組的數(shù)值解法，得出擴散元素在連接界面處的理論濃度分布圖。實驗值與理論模擬結(jié)果吻合得很好，因此能夠很好的預(yù)測擴散連接界面相關(guān)擴散元素的濃度分布。研究了SCs．6SiC伍B2／s邳ler0L2復(fù)合材料的界面反應(yīng)及產(chǎn)物相的形成，探討TiB2障礙涂層的作用機理。在rnB2涂層沒有被消耗完之前，它阻止了

7、c原子的擴散，但不能阻止面及合金元素原子的擴散，當(dāng)nB2涂層被消耗完之后，由于生成的Tm對c、Si、Ti及合金元素原子的互擴散沒有阻礙作用，界面反應(yīng)程度顯著增強。從sCS．6SiC纖維到Supef啦基體，其界面反應(yīng)產(chǎn)物分別為SCS-6siclTic+啊5si3l面cln3siI1砸ITi3AIclsuper毗。B原子在TiB2中的擴散垂直于該層的消耗方向，在nB中的擴散為平行于其生長方向，并且其在TiB中的擴散速率遠(yuǎn)大于其在nB2中的擴散速率。關(guān)鍵詞：siC連續(xù)纖維，啊基復(fù)合材料，擴散偶，界面反應(yīng)，擴散，連接，障礙涂層ABSTRACTDueto“shi曲sp

8、ecifics打engttlandspecificm