sic連續(xù)纖維增強ti基復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合金基復合材料(TMCs)具有高的比強度和比模量，被大量應用作航空航天結構材料。但是由于鈦的化學活性，在復合材料的復合固結及高溫服役條件下，SiC仍合金的界面處存在嚴重的界面反應，形成一些脆性的界面反應化合物，他們分布在界面的幾層反應產(chǎn)物中。這些脆性的反應產(chǎn)物可能成為裂紋源，顯著降低復合材料的機械性能。Sic爪基體的界面反應是一個反應擴散問題，由于涉及界面反應擴散的組元、影響因素很多，形成的反應產(chǎn)物層結構復雜，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、復合材料的制備及熱處理試驗，運用SEM、TEM、EDS和XRD技術對界面反應區(qū)的形貌、元素分布及成分進行分析，來探討復合材料界面反應產(chǎn)物的形成序列以及反應元素的擴散路徑。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，求解簡單界面反應產(chǎn)物層和復雜界面反應層中相關元素的擴散系數(shù)，從微觀機制方面討論界面反應產(chǎn)物的生長特點及反應元素的擴散特性。sic，rAl復合材料界面反應擴散的路徑為：siCITbsIc2ITi5si3CxInc+n5si3c。lT．Al；sic門ri6A14V復合材料界面反應擴散的完整路徑為：sicITi3sic2ITi5s

3、i3c。lncIn3siIn6AJ4v+面c；對于含有c涂層的sic纖維增強n6A14V復合材料，當c被完全消耗完之后，反應擴散的路徑為：sicITi3siC2lTi5si3c。lTicIn6A14V；scs．6sic纖維增強Ti．m金屬間化合物基復合材料晃面反應擴散的路徑為：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基復合材料，當c涂層沒有被消耗完之前，界面反應產(chǎn)物層的生長符合拋物線規(guī)律，當c涂層被

4、完全消耗完之后，界面反應產(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基復合材料，界面反應產(chǎn)物層的生長均遵循拋物線生長規(guī)律，其界面反應層的生長激活能順序為：Q乞．

5、n3SiC2中，晶界擴散占主導作用。C和Si原子在TiC層中具有最小的擴散系數(shù)，復合材料界面反應過程中，反應元素擴散通過TiC層的擴散是一個控制步驟。根據(jù)柯勒(Kolher)對稱熱力學模型，同時借助于米德瑪(Midema)生成熱模型，從熱力學上推導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)的熱力學因子和組元的示蹤擴散系數(shù)及自擴散系數(shù)，進一步得到基體合金系中相關組元的互擴散系數(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，探討復合材料制備過程中的擴散連接問題。根據(jù)求得的溶質元素的互擴散系數(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果吻合得很好，因此能夠很好的預測擴散連接界面相關擴散元素的濃度分布。研究了SCs．6SiC伍B2／s邳ler0L2復合材料的界面反應及產(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，界面反應程度顯著增強。從sCS．6SiC纖維到Supef啦基體，其界面反應產(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中的擴散速率遠大于其在nB2中的擴散速率。關鍵詞：siC連續(xù)纖維，啊基復合材料，擴散偶，界面反應，擴散，連接，障礙涂層ABSTRACTDueto“shi曲sp

8、ecifics打engttlandspecificm