MAX相与MXene颗粒增强钛合金基复合材料的制备与性能

作     者：杜茂龙 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张法明

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：钛基复合材料 MAX相 MXene 放电等离子烧结 力学性能 摩擦磨损性能 

摘      要：MAX相陶瓷是一种新型的三元层状的金属性陶瓷材料,它结合了金属和陶瓷的部分优异性能,具有高强度、高韧性、自润滑、导电导热等性质。MXene则是利用MAX相中A层与MX层之间的弱结合力,采用刻蚀的方法将A层剥落,从而形成的一种二维纳米层状材料,具有良好的导电性和亲水性。使用传统陶瓷材料作为增强体制备钛基复合材料可有效提高其强度、硬度、耐磨性,但对复合材料的塑性造成很大的损害。MAX相作为一种金属性陶瓷,具有高韧性,可在提高强度的同时减少对塑性的影响。MXene具有类石墨烯结构,具有良好的力学性能,使用其作为增强相制备钛基复合材料还少有报道。本文将TiAl C、TiAl C、TiC作为增强相制备TA15钛合金基复合材料,研究不同含量(0.5-2.0wt%)对复合材料的物相、组织结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响规律。使用SPS制备了TiAl C增强TA15基复合材料,TiAl C在烧结过程中与Ti基体发生反应生成TiAl C分布于钛基体界面处。随着TiAl C含量的增加,复合材料的平均硬度呈现先上升后下降的趋势,最高硬度为372 HV;压缩实验中,复合材料的屈服强度和抗压强度逐渐增加,压缩应变逐渐降低,2.0 wt%TiAl C增强TA15基复合材料的屈服强度为1185MPa,与纯TA15(1053 MPa)相比提高了12.5%,而压缩应变为26.13%,却比纯TA15(31.15%)降低了16.1%;拉伸实验中,屈服强度和抗拉强度呈现先上升再下降的趋势,其中2.0wt%TiAl C增强TA15基复合材料的屈服强度为951 MPa,与纯TA15(830 MPa)相比提升了14.5%,而延伸率却从14.023%减少至9.220%。TiAl C含量由低到高,复合材料的断裂方式由韧性断裂向脆性断裂转变。随着TiAl C含量的增加,复合材料的摩擦系数降低,平均磨损率呈现先下降后上升的趋势,其摩擦磨损机制是磨料磨损和剥层磨损。使用SPS制备了TiAl C增强TA15基复合材料,TiAl C在烧结过程中与Ti基体发生反应生成TiAl C和Ti C,增强体主要分布于钛基体的界面周围。随着TiAl C含量的增加,复合材料的平均硬度逐渐升高,当TiAl C含量为2.0%时,硬度值为384 HV;压缩实验中,压缩应变逐渐降低,复合材料的屈服强度和抗压强度逐渐增加后降低,1.5wt%TiAl C增强TA15基复合材料的屈服强度为1293 MPa,与纯TA15(1053 MPa)相比提升了22.8%;拉伸实验中,复合材料的延伸率逐渐降低,屈服强度和抗拉强度呈现先上升再下降的趋势,当TiAl C的添加含量为1.5%时,复合材料的屈服强度为978 MPa,与纯TA15(830 MPa)相比提升了17.8%。与TiAl C增强类似,TiAl C增强TA15复合材料的断裂方式随着增强相含量的增加由韧性断裂转变为脆性断裂。随着TiAl C含量的增加,复合材料的摩擦系数降低,平均磨损率逐渐降低,其摩擦磨损机制是磨料磨损和剥层磨损。使用SPS制备TiC增强TA15基复合材料,TiC在烧结过程中转变成Ti C,增强体主要分布于钛基体的界面周围,其周围也分布着许多的孔洞。随着TiC含量的增加,复合材料的平均硬度逐渐升高,2.0 wt%TiC增强TA15基复合材料的硬度值最高,为410HV;压缩实验中,压缩应变逐渐降低,复合材料的屈服强度和抗压强度逐渐增加后降低,1.5 wt%TiC增强TA15复合材料的屈服强度为1342 MPa,与纯TA15(1053 MPa)相比提升了27.4%;拉伸实验中,复合材料的延伸率逐渐降低,屈服强度和抗拉强度呈现先上升再下降的趋势,其中1.5 wt%TiC增强TA15基复合材料的屈服强度为973 MPa,与纯TA15(830 MPa)相比提升了17.2%。TiC增强TA15复合材料的拉伸断口由许多个台阶组成的,裂纹沿着钛基体颗粒的界面扩展,分布在界面处的孔洞成为裂纹源使得复合材料的塑性严重降低。随着TiC含量的增加,复合材料的摩擦系数降低,平均磨损率逐渐降低,其摩擦磨损机制是磨料磨损和剥层磨损,磨损表面有着很多的裂纹和颗粒。