3金属间化合物的研究'> 原位反应增强TiAl3金属间化合物的研究

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摘 要：采用原位反应热压的方法制备出TiAl3金属间化合物及其复合材料，探讨了不同增强相的强化效果。研究结果表明，原位反应热压能够获得组织均匀致密的TiAl3基复合材料，原位自生的增强相弥散、界面结合好，具有很好的强韧化效果。复合强韧化设计是tial3基复合材料实现工程应用的重要研究方向。

关键词：TiAl3；原位合成；强韧化

0 引言

TiAl3金属间化合物具有低密度、高熔点、高比强度以及高温抗氧化性能优异等特点，被认为是一种很有发展前景的轻质高温结构材料，在航空航天等领域有重要的应用价值[1～3]。但是TiAl3金属间化合物作为一种线性化合物，其室温塑性太低、高温蠕变性能较差，这些都严重制约了其工业应用。通过复合强韧化设计制备出的TiAl3金属间化合物基复合材料，能够改善基体的塑韧性，同时提高材料的高温蠕变性能[4]。本研究采用原位反应热压工艺，分别制备出Al2O3和Al2O3+Ti3AlC2增强的TiAl3基复合材料，并与原位反应制备的TiAl3金属间化合物进行对比研究，分析了材料的强韧化机制，为TiAl3基材料的工程应用提供一定的支持。

1 试验

试验选用Al粉、Ti粉、TiO2粉和TiC粉作为原材料。根据公式（1）-（3）按摩尔计量比配制粉末。将混合粉末湿磨50h后过筛、烘干。然后在真空热压炉中进行烧结成型，采用石墨模具，烧结压力为50MPa。采用三点抗弯实验测试不同材料的断裂韧性和抗弯强度，试样数量为3-5个，取测试结果的平均值。

2 结果与讨论

表1给出了三种不同材料的断裂韧性和三点弯曲强度的对比。从表中可以看出，原位反应热压制备的TiAl3金属间化合物的抗弯强度为188.2MPa，这比文献[5]报道的提高了约16.2%，但是材料的断裂韧性却相当。这一方面是因为采用原位反应热压工艺制备出的TiAl3材料成分均匀，能够满足TiAl3作为线性化合物的成分需求，因而晶间存在的残余Al很少；另一方面，由于存在瞬间的液相及加压致密过程，极大地弥补了材料原位反应过程产生的体积收缩，因而利用反应热压制备的TiAl3材料组织更为致密细小。因此，原位反应热压制备的TiAl3材料其强度得到了一定的提高，但是并不能改变其本征脆性。

采用复合强韧化设计能够兼顾材料的强度和断裂韧性。如附表所示，通过引入增强相，TiAl3基复合材料的三点抗弯强度和断裂韧性相对TiAl3基体都有了大幅度的提高。单相Al2O3增强的复合材料，其断裂韧性提高了126%，三点抗弯强度提高了174%。在此基础上，再引入Ti3AlC2相则能够获得协同复合强韧化效果：相对于Al2O3单相增强的TiAl3基复合材料，其断裂韧性提高了51.9%，三点弯曲强度提高了27.8%。

附图给出了TiAl3及其复合材料的断口形貌。从附图（a）中可以看出，TiAl3金属间化合物的断口存在大量光滑平面及少量的解理台阶，表明其产生了明显的沿晶脆性断裂，同时存在少量的穿晶断裂。此外，在晶界边缘存在极少量的残余Al，这主要是由于部分区域偏离化合物的线性成分所致。从附图（b）和（c）可以看出，除了存在较多的沿晶脆断平面外，还存在很多Al2O3颗粒剥离所产生的孔洞，这就吸收了部分断裂能量，提高了材料的强度和断裂韧性。增强相的引入还极大地细化了材料的晶粒，从而起到强韧化的效果。进一步引入Ti3AlC2相后，在断口上除了观察到Al2O3颗粒的剥离现象，还能观察到Ti3AlC2相的扭折、层裂等准塑性变形。从附图（d）的裂纹扩展形貌可以看出，裂纹在穿越Ti3AlC2颗粒时发生了明显的偏转，裂纹尾迹区内存在未开裂的Ti3AlC2颗粒，这说明在断裂过程中Ti3AlC2颗粒能够实现裂纹的偏转及桥接，进而吸收裂纹扩展能量，实现复合材料的进一步强韧化。

3 结论

（1） 原位反应热压能够获得均匀致密的TiAl3基复合材料，其强度和断裂韧性相对TiAl3基体有大幅提高。

（2） Al2O3+Ti3AlC2两相协同增强效果显著，能够进一步提高TiAl3基复合材料的力学性能。

参考文献：

[1] 惠林海，耿浩然，王守仁，等. Al3Ti金属间化合物的研究进展[J]. 机械工程材料， 2007， 31（9） ： 1-6.

[2] 张津徐，傅云义，孙坚，等. 复相Al3Ti基合金的高温强化[J]. 材料工程，2000， 11：26-31.

[3] 张永刚， 韩雅芳， 陈国良， 等. 金属间化合物结构材料 [M]. 北京， 国防工业出版社， 2001.

[4] 姜国庆，武高辉，刘艳梅. 连续纤维增强钛铝金属间化合物基复合材料的研究进展[J]. 材料导报，2008，S1：404-408.

[5] Yin， Xiao-wei； Travitzky N， Greil P. Three-dimensional printing of nanolaminated Ti3AlC2 toughened TiAl3-Al2O3 composites [J]. Journal of the American Ceramic Society，2007， 90（7）： 2128-2134.

基金项目：贵州省科学技术基金（2014[2053]）；贵州大学引进人才项目（2013[39]）