论文摘要
金属基复合材料因具有高硬度、高强度、高耐磨性等优异的性能而具有广泛的用途，目前已开始了工业化应用。在这类材料中典型的代表之一就是以TiC、TiB为增强相的钛基复合材料，人们对其制备工艺、微结构、力学性能等进行了一系列的研究，而这些研究主要都侧重于外加法。本研究则采用原位合成法制备TiC、TiB增强的钛基复合材料。与外加法相比，原位合成法制备的复合材料中的增强体是原位合成的，避免了增强体的污染问题，能够制备出性能更好的材料，而且工艺简单，可与传统的熔炼和粉末冶金等技术结合起来，成本也较低。本文采用Ti／Cr3C2、Ti／VC、Ti／B4C三种反应体系，通过放电等离子烧结（SPS）、真空烧结（VS）以及真空烧结后热等静压（VS-HIP）的方法，制备了TiC增强以及TiB和TiC混合增强的钛基复合材料，分析了反应体系各种反应的可行性，揭示了放电等离子烧结技术在制备钛基复合材料中增强相的生长机制及材料的致密化过程，得出以下结论：（1）利用热力学理论，采用同一基准对本实验所采用的Ti／Cr3C2、Ti／VC、Ti／B4C三种反应体系吉布斯自由能变量（ΔG）进行了热力学计算，各个反应的吉布斯自由能变量（ΔG）均为负值，从热力学角度讲上述反应是可行的。对于Ti／B4C反应体系，由于TiB2不能稳定存在，将生成TiC和TiB。（2）采用Ti／Cr3C2、Ti／VC、Ti／B4C三种反应体系，通过SPS、VS以及VS-HIP的方法制备出TiC增强及TiC和TiB混合增强的钛基复合材料。SPS与VS、VS-HIP相比，制备出的复合材料的增强相尺寸较小、分布均匀、材料没有明显的孔洞、相对密度和维氏硬度都较高，同时SPS技术工艺简单，烧结效率高。（3）揭示了Ti／Cr3C2、Ti／VC、Ti／B4C三种反应体系中，材料的致密化过程和增强相的生长机理。材料的致密化过程分为三个主要的特征阶段，对于第一阶段影响致密化因素主要为烧结压力，第二阶段主要为特殊的脉冲电流在颗粒之间产生火花放电、焦耳热、反应体系的反应放热以及压力共同作用，而第三阶段主要是焦耳热和压力共同的结果。增强相TiC、TiB主要是在上述致密化过程中的第二阶段和第三阶段生成，各阶段增强相的生成机制也不相同，在第二阶段增强相主要是在颗粒之间形成的颈部熔体中析出并生长的，第三阶段增强相主要是靠固相扩散反应的机制生成。