可加工三元层状碳化物Ti_2AlC的合成研究

【摘要】：Ti_2AlC是一种兼具金属和陶瓷优异性能的新型陶瓷材料，它最显著的性能特征在于它具有非常高的断裂韧性以及可以像金属一样方便地加工。另外它还具有金属的高电导率和陶瓷的高强度、良好的抗氧化等性能。因此，Ti_2AlC是一种潜在的有广泛应用前景的结构／功能一体化新型陶瓷材料。然而，单相Ti_2AlC陶瓷材料的合成非常困难，产物中一般都含有TiC或者其它杂质相。因此本文对单相Ti_2AlC块体陶瓷材料的合成进行了研究。采用的分析测试仪器包括X-射线衍射仪、扫描电镜及其附带的能谱仪和电子探针显微分析仪。 本文的研究重点在于采用热压工艺合成单相Ti_2AlC块体材料。研究了各种工艺参数包括热压温度、保温时间、原料配比中的Al含量、原料种类(由元素粉Ti、Al和活性炭构成的混合粉或者由TiC、Ti和Al构成的混合粉)以及添加剂Si对于合成过程和合成产物中Ti_2AlC相含量的影响。 本文同时还进行了以元素粉为原料采用放电等离子烧结工艺合成单相Ti_2AlC块体材料的研究。研究了各种工艺参数包括合成温度、原料配比中的Al含量以及添加剂Si对合成产物中Ti_2AlC相含量的影响。 文中最后还对所合成Ti_2AlC块体材料的性能进行了初步表征，并且分析了Ti_2AlC块体材料的抗损伤机制。 结果表明，采用热压工艺能够合成仅含有少量Ti_3AlC_2作为第二相、不含TiC等其它杂质相的致密Ti_2AlC块体材料。使用元素粉为原料时，适当增加原料配比中的Al含量能够消除产物中TiC杂质的出现，相应地提高Ti_2AlC相的含量。Al含量适当的增加还能够增大反应速度， 使反应在更低的温度下完成。Al含量进一步增加则促进了Ti_3AlC_2和Ti-Al金属间化合物的生成。在1450℃下热压烧结组成为2.0Ti／1.1Al／1.0C的混合粉60min能够获得最佳的合成效果。用TiC取代元素粉作原料能够增加反应速度，使合成温度降低到1400℃。同时，以TiC为原料时，增加Al量对反应速度几乎没有影响：但是，Al量过多同样促进了Ti_3AlC_2和Ti-Al金属间化合物的生成。 在热压工艺合成Ti_2AlC的研究中还发现，无论以元素粉还是以TiC为原料，掺Si都促进了Ti_3SiC_2的生成，同时由于Ti_3SiC_2的晶种作用(模板作用)还促进了产物中Ti_3AlC_2含量的增加，因此掺Si不利于合成单相Ti_2AlC材料。在TiC中掺Si比在元素粉中掺Si对于促进生成Ti_3AlC_2的作用更显著：在元素粉中即使掺入更多的Si，产物也由Ti_2AlC、Ti_3AlC_2和Ti_3SiC_2三 武汉理工大学博士学位论文 相共同组成，且以下ZAIC为主晶相:而在TIC中即使掺入更少量的si，产物 都由单相Ti3AICZ组成。 研究结果表明，TIC和石一Al金属间化合物是热压工艺合成TiZAIC的中 间产物。初期反应非常迅速，大量的五ZAIC在反应初期生成;后期反应相对 缓慢，其作用在于促进晶粒的发育完善和长大。 研究还发现，TiZAIC在1 500℃的Ai气氛中不稳定，会逐步分解。而在 1400℃的Ar气氛中TiZAIC是稳定的。TiZAIC失去部分Al时，产物为 五3AICZ;失去全部Al时，产物为TIC。这种高温不稳定性导致了在1500℃ 热压60min所合成试样具有多层次不均匀结构。最外层由纯肠C组成，中间 层是一个由TIC、TiZAIC、Ti3AICZ以及Ti一Al金属间化合物组成的、各种物 相含量连续变化的梯度层，最内层则是由TiZAIC、Ti3AICZ和Ti一Al金属间化 合物组成的均匀区域。这也是本研究最重要的发现之一。 在放电等离子烧结工艺合成TiZAIC材料的研究中发现:采用放电等离子 烧结工艺可以合成单相、致密的TiZAIC块体材料。适当增加Al量能够抑制 产物中杂质相TIC的生成，提高产物中TiZAIC的含量。采用放电等离子烧结 工艺分别对混合粉2.0罚1 .IA叭.OC和2.OTi/l .2A川.OC在1 100℃保温smin都 可以合成单相致密Ti达lC块体材料。同样地，采用放电等离子烧结工艺掺si 也促进了Ti3川CZ的生成，不利于合成单相TiZAIC材料。 性能测试结果表明，所制备的TiZAIC材料具有良好的导电性能，较低的 矶ckers硬度和优良的力学性能。裂纹反复偏折、晶粒的分层解理、颗粒的室 温塑性变形和弯曲以及晶粒拔出都是TiZAIC材料抗损伤以及具有高断裂韧性 的原因。