机械合金化冷压烧结制备Ti-Si金属间化合物组织与性能的基础研究

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Ti-Si金属间化合物是现阶段最有应用前景的高温结构材料之一,因其较低的密度、较高的硬度及优良的抗氧化性能而博得越来越多的关注。本文采用“机械合金化-冷压烧结”技术,制备了三种配方(Ti-16.28Si、Ti-15.46Si-5Cu、Ti-14.65Si-10Cu)的Ti-Si金属间化合物,并对其组织、硬度、弹性模量、断裂韧性、抗氧化性、耐腐蚀性及耐磨性进行了研究,所开展的工作和取得的结果如下:  (1)研讨了三种配方材料烧结体的物相组成、显微组织及显气孔率。结果表明:Ti-16.28Si配方表面有孔洞,主要由Ti5Si3和Ti5Si4物相组成;加入Cu组元的两种配方烧结后的表面都非常致密均匀,主要由Ti5Si3、Ti5Si4、Cu3Si物相组成;三种配方的显气孔率分别为7.780%、3.034%和2.400%。三种配方中,Ti-14.65Si-10Cu配方的烧结体表面质量更高。  (2)对比研究了三种配方材料的表面硬度、弹性模量及断裂韧性。结果表明:三种配方表面的硬度值依次是866.75 HV、1147.60 HV和1176.50 HV,其中Ti-14.65Si-10Cu配方的硬度最高;弹性模量依次是115.5 GPa、118.9 GPa和78.4 GPa,其中Ti-15.46Si-5Cu配方的弹性模量最大;断裂韧性值依次是6.662 MPa.m1/2、6.285MPa.m1/2和6.439 MPa.m1/2,三种配方的断裂韧性相差不大。  (3)对比研究了三种配方材料在800℃温度下氧化80 h的高温氧化行为。结果表明:三种配方在单位面积上的增重依次约为9 mg/cm2、5 mg/cm2和1 mg/cm2;氧化膜厚度依次是15μm、10μm和5μm。三者之中,Ti-14.65Si-10Cu配方的抗氧化性能更为优异。  (4)对比研究了常温下三种配方材料在1 mol/L的HCl溶液当中浸泡100 h的腐蚀行为。结果表明:Ti-16.28Si和Ti-15.46Si-5 Cu两种配方经过100 h腐蚀后,表面的组织清晰,腐蚀层厚度大约是20μm和5μm; Ti-14.65Si-10Cu的配方腐蚀100h之后,表面变得不平整,且有大量的腐蚀坑,其腐蚀层厚度为8μm左右。相对于其它两个配方,Ti-15.46Si-5Cu配方的抗腐蚀能力更好。  (5)对比研究了干摩擦试验条件下三种配方材料的摩擦系数、磨痕宽度及磨损体积。结果表明:三种配方的摩擦系数依次是0.1124、0.1137和0.106;磨痕宽度依次是0.2135 mm、0.2150 mm和0.1650 mm;磨损体积依次是0.001298 mm3、0.001325 mm3和0.000599 mm3;对比得出,Ti-14.65Si-10Cu配方的表面摩擦系数显著降低,磨损相对较轻,且无明显的犁沟和粘着现象,其摩擦磨损性能更为优异。  本研究首次发现,Ti-16.28Si、Ti-15.46Si-5Cu、和Ti-14.65Si-10Cu三种配方制各的Ti-Si金属间化合物有着非常致密的组织、较高的硬度及优异的抗氧化性和耐磨性能,其中Ti-14.65Si-10Cu综合性能较好,为开辟新一代的高温结构材料和摩擦材料提供了科学指导。
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