Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料的性能研究

羅正斌

摘 要：以Ti基非晶合金和Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料為研究對象，通過分析其內(nèi)部組織，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料中的Ti基合金均為非晶相，Ti基非晶合金與SiC陶瓷未生成新相；而SiC骨架中存在著“弱點”、微裂紋與氣孔、閉孔、應(yīng)力集中點等缺陷；復(fù)合材料改變了復(fù)合前的缺陷，填補了原始陶瓷骨架中的裂紋，修補了“弱點”，避免了材料在承受載荷時在這些缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使材料的力學(xué)性能得到了改善。

關(guān)鍵詞：非晶合金復(fù)合材料 孔隙率 SiC 陶瓷骨架 微裂紋 力學(xué)性能

中圖分類號：TG75.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0118-02

陶瓷材料作為一種先進(jìn)材料，具有多種優(yōu)勢，如：高強度、高硬度、耐腐蝕、高耐磨性和低重量?？蓱?yīng)用在車輛、船舶、飛機的關(guān)鍵部位，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。但陶瓷沒有塑性，易產(chǎn)生脆性斷裂，成型尺寸較??；而金屬具有高韌性，可以利用各自優(yōu)勢，將其制成復(fù)合材料。目前，金屬陶瓷復(fù)合材料主要有陶瓷骨架增強金屬復(fù)合材料和陶瓷顆粒增強金屬復(fù)合材料兩大類，如SiC骨架鋁合金復(fù)合材料和SiC或B4C顆粒增強鋁合金的復(fù)合材料。

隨著對非晶合金研究的不斷深入，非晶合金的尺寸也越來越大，塊體非晶合金的制備，極大地拓寬了非晶合金的應(yīng)用領(lǐng)域。塊體非晶合金擁有高硬度、高強度、高彈性、高耐腐蝕性、可精密成形以及良好的磁性等優(yōu)異性能。

1 Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料密度與孔隙率

使用壓力—浸滲—快凝法（滲流鑄造法），將Ti基非晶合金母合金滲入預(yù)制的SiC陶瓷骨架孔洞中，獲得Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料。

根據(jù)復(fù)合材料SiC陶瓷骨架的原始孔隙率，對復(fù)合材料編號，I型SiC陶瓷骨架對應(yīng)A型復(fù)合材料，II型SiC陶瓷骨架對應(yīng)B型復(fù)合材料，III型SiC陶瓷骨架對應(yīng)C型復(fù)合材料，將未經(jīng)復(fù)合的Ti基非晶合金編號為0型材料。

實驗采用的Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料與Ti基非晶合金的真密度（見表1）。根據(jù)SiC骨架的實測孔隙率與Ti基非晶合金的實測密度，可算出Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料的理論密度。

從表1中可看出，Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料實際密度均高于理論密度，表明在復(fù)合材料制備過程中，Ti基非晶合金相滲入到SiC相中，填補了SiC相中一部分孔隙與裂紋，復(fù)合材料中Ti基非晶的實際含量將比SiC骨架的孔隙率高。

2 Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料的內(nèi)部組織分析

2.1 相分析

圖1為Ti基非晶合金的X射線衍射曲線，曲線成饅頭峰狀，沒有明顯的特征峰，表明實驗制得的Ti基非晶合金為完全非晶結(jié)構(gòu)。

圖2為Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料的X射線衍射曲線。曲線中只發(fā)現(xiàn)有SiC相的特征峰，并未發(fā)現(xiàn)其他晶體的特征峰，表明復(fù)合材料中的Ti基合金均為非晶相，且Ti基非晶合金與SiC陶瓷并未生成新相。

2.2 微觀形貌

圖3為不同孔隙率SiC陶瓷骨架的掃描電鏡照片，通過比較可以看出骨架I的孔徑明顯大于骨架III，這與理論上孔徑隨著孔隙率的降低而降低是一致的。

圖4的a、b、c為不同型號Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料掃描電鏡照片，其中深色部分為SiC相，淺色部分為Ti基非晶相。復(fù)合材料中各相分布均勻，Ti基非晶合金填充在SiC骨架之中，形成兩相各自連通、相互嵌套的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

復(fù)合材料中，存在大量界面，骨架結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料兩相界面十分豐富，其結(jié)合狀況對整體性能的影響十分顯著。采用壓力—浸滲法制備復(fù)合材料需要將合金相加熱至其熔點附近或以上更高的溫度，在高溫環(huán)境下，會發(fā)生一定程度的界面反應(yīng)、擴散、溶解、元素偏聚等過程。適當(dāng)?shù)臄U散反應(yīng)能夠使兩相相互滲透，結(jié)合緊密，但嚴(yán)重的界面反應(yīng)會產(chǎn)生元素偏聚，使界面處成分偏離組元成分，造成非晶形成能力下降，影響性能，或產(chǎn)生新的反應(yīng)物，破壞原有界面的結(jié)合，影響復(fù)合材料的整體性能。圖4的d為SiC陶瓷骨架/Ti基非晶合金復(fù)合材料中界面的掃描電鏡照片，可見Ti基非晶與SiC陶瓷兩相界面結(jié)合良好，界面處無孔隙。

2.3 微觀缺陷

圖5為SiC陶瓷骨架的微觀缺陷，可觀測到顆粒結(jié)合薄弱區(qū)域與閉孔缺陷。SiC陶瓷骨架制備過程中，難以避免會有少量的Si粉末依然以粉末狀存在于整體之中，形成顆粒結(jié)合薄弱區(qū)域。這些粉末之間結(jié)合面小、結(jié)合力弱，成為了整體當(dāng)中的“弱點”。在承受載荷時，這些“弱點”易造成應(yīng)力集中，萌生裂紋，或者由于結(jié)合力弱造成失效，最終引起骨架整體的迅速失效。SiC陶瓷骨架中的閉孔無法浸滲非晶合金，會在復(fù)合材料中保留，成為復(fù)合材料中的缺陷，造成性能降低。

SiC骨架中存在著“弱點”、微裂紋與閉孔等缺陷，隨著壓力—浸滲法制備復(fù)合材料過程殘留下來，形成了復(fù)合材料中的缺陷。在壓力—浸滲法制備過程中，也會產(chǎn)生一些新的缺陷，如非晶相中的氣孔等。Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料的性能將受到這些缺陷的影響。

2.3.1 閉孔

SiC陶瓷骨架在燒結(jié)時，由于SiC顆粒堵塞及開孔不充分等原因，形成了少量的閉孔，這些閉孔在復(fù)合材料中被保留了下來。如圖6的a所示，在經(jīng)過拋光的復(fù)合材料試樣中可以觀測到一定數(shù)量的閉孔。在有些閉孔中還存在未完全燒結(jié)的SiC顆粒，如圖6的b所示。閉孔的存在并不能通過復(fù)合過程而去除，減少原始骨架中的閉孔數(shù)量能夠減少復(fù)合材料中的閉孔數(shù)量。閉孔的存在會影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2.3.2 氣孔

在Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料中非晶相以及兩相界面處，偶爾可以觀察到氣孔（見圖7）。這些氣孔多在浸滲過程中形成，由于熔融非晶合金中混入了氣體，凝固過程中氣體析出造成的。氣孔對材料的力學(xué)性能影響十分顯著，易形成應(yīng)力集中；復(fù)合材料中兩相界面處的氣孔會削弱界面的結(jié)合，成為材料中的薄弱點，在承受載荷時容易產(chǎn)生界面失效、萌生裂紋。復(fù)合材料中，隨氣孔數(shù)量的增多，材料的拉伸強度降低，如式1所示。

（1）

式（1）中σu為孔隙率為p的材料拉伸強度；σ0為密實的材料拉伸強度；α為破壞因子。

2.3.3 裂紋

在SiC骨架中，存在著“弱點”與微裂紋，都是在燒結(jié)過程中留下的缺陷。“弱點”的形成主要是由于少量SiC粉末未完全燒結(jié)，粉末之間結(jié)合面小，結(jié)合力差；微裂紋的形成主要是由于燒結(jié)過程留下的殘余熱應(yīng)力等原因?qū)е??！叭觞c”和微裂紋在承受載荷時容易成為裂紋萌生源。這些缺陷的存在會大大降低SiC陶瓷骨架的力學(xué)性能。在復(fù)合材料中，能夠觀察到Ti基非晶相與SiC相緊密結(jié)合，Ti基非晶填補到SiC相的裂紋之中，如圖8的a所示。但并非SiC陶瓷相中所有的裂紋都能在浸滲過程中被修復(fù)，仍有一些裂紋存在，如圖8的b所示。在復(fù)合材料中沒有SiC陶瓷相中的顆粒結(jié)合薄弱區(qū)域，因為Ti基非晶合金填補了SiC陶瓷骨架中的“弱點”，對“弱點”內(nèi)的SiC顆粒起到了包裹與支撐的作用。復(fù)合后的材料改變了復(fù)合前的缺陷，部分的填補了原始陶瓷骨架中的裂紋，修補了“弱點”，避免了材料在承受載荷時在這些缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使材料的力學(xué)性能得到了改善。

2.3.4 應(yīng)力集中點

在原始的SiC陶瓷骨架中，部分SiC顆粒夾角較為尖銳，在復(fù)合材料中體現(xiàn)為非晶相填滿尖角，形成非晶相尖角。這種非晶相中尖銳的凸出如圖9所示。承受載荷時容易在尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，易萌生裂紋，不利于復(fù)合材料力學(xué)性能的提高。

3 結(jié)語

通過壓力—浸滲—快凝法制備Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料，分析SiC陶瓷骨架孔隙率與孔徑分布，測量Ti基非晶合金及Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料的密度。對Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料進(jìn)行相分析，發(fā)現(xiàn)Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料由非晶相與SiC相構(gòu)成，界面處無新相生成；通過研究Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復(fù)合材料的微觀形貌和缺陷。原始SiC陶瓷骨架中孔徑分布較為集中，孔徑隨孔隙率的減小而減小，理論密度與真密度接近；復(fù)合材料密度略高于理論密度，說明復(fù)合過程中Ti基非晶合金相修復(fù)了SiC骨架的內(nèi)部缺陷；Ti基非晶合金SiC陶瓷骨架復(fù)合材料，兩相結(jié)合良好，無明顯界面反應(yīng)，其內(nèi)部缺陷主要有閉孔、氣孔，裂紋與應(yīng)力集中點，浸滲過程中SiC相中部分缺陷被修復(fù)，材料性能得到明顯改善與提高。

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