Ti-Si系合金微合金化、高温摩擦学行为及相图研究

论文摘要

本论文研究了Ti-Si系合金的微观组织与性能,并对Ti-Si系合金进行合金化处理后的微观组织、力学性能、高温摩擦机制和平衡相图等进行了深入细致的探讨。研究了添加不同含量的Ce和Zr元素对Ti-11at.%Si合金显微组织的影响,以及在Ti-Si共晶合金中加入16at.%Al对合金显微组织、力学性能和高温摩擦磨损性能的影响,对Ti-11Si-16Al合金（TSA）的高温摩擦机制进行了细致的探讨。并对Ti-Si-Sn三元系合金相图200℃等温截面进行了研究。在Ti-11Si合金中加入不同含量的Ce和Zr元素,实验结果表明适量Ce元素的加入,使得Ti5Si3中的一部分Si被Ce所取代,形成Ti5（Si,Ce）3,可以细化晶粒,改善合金的组织结构。当Ce的含量为0.5 at.%细化效果最佳,随后随着Ce含量的增加,合金组织反而恶化。8 at.%Zr的加入,在合金中形成细小金属间化合物（Ti,Zr）2Si,抑制了条状Ti5Si3的生成,从而细化了组织颗粒。通过对Ti-11Si-16Al合金（TSA）与未添加Al的Ti-Si共晶合金（TS）进行对比,发现由于16at.%Al的加入,在TSA合金材料中形成了近等轴晶粒Ti5Si3、棒状组织的Ti3Al和菊花状共晶团,并均匀分布在连续α-Ti（Al,Si）固溶体当中,极大地改善了该合金的微观组织,维氏硬度、弹性模量和强度也都得到显著的提高。TSA试样在原位热压和烧结过程中,混合氧化物颗粒在合金的磨损表面形成了一层光滑牢固致密的氧化膜,起到了固体润滑剂的作用,减小了合金的摩擦力,保护了TSA合金材料,从而有效地提高了合金的高温抗摩损能力和摩擦稳定性。Ti-Si共晶合金的磨损机制是由不同取向的共晶团界面处产生微裂纹并沿晶界生长导致脆性分层。Al元素的加入产生了连续分布的α-Ti（Al,Si）固溶体基体围绕在Ti5Si3颗粒周围,显著地提高了合金的塑性、高温抗磨损和摩擦性能。利用X射线衍射分析技术、差热分析技术、电子显微分析技术等实验手段,测定了Ti-Si-Sn三元系合金相图200℃等温截面中的相关系。实验结果表明它由14个单相区、26个两相区和13个三相区所组成。采用相消失法确定了在200℃条件下,Sn在Ti中的最大固溶度约为8 at.%,Si在Ti5Sn3中的固溶度约为15 at.%,Ti3Sn的固溶度范围约为13-25 at.%Sn。实验发现了一个新的三元化合物A（New phase）。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛合金的特点与应用
• 1.2.1 钛合金的特点
• 1.2.2 钛合金的应用现状
• 1.3 Ti-Si共晶合金
• 1.3.1 Ti-Si共晶合金的特点
• 1.3.2 Ti-Si共晶合金的研究现状
• 1.3.3 Ti-Si共晶合金的应用前景
• 1.4 钛合金高温摩擦学
• 1.4.1 摩擦学原理
• 1.4.2 钛合金摩擦学研究现状
• 1.5 钛合金的微合金化研究
• 1.5.1 微合金化原理在钛合金中的应用
• 1.5.2 Ti-Si合金的稀土合金化
• 第二章 Ce和Zr元素对Ti-11Si合金显微组织的影响
• 2.1 前言
• 2.2 实验材料与方法
• 2.2.1 实验材料与实验仪器
• 2.2.2 试样的制备
• 2.2.3 显微组织和成分分析
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 Ti-Si共晶合金与亚共晶合金的铸态组织
• 2.3.2 Ti-11Si亚共晶合金铸态组织中成分的确定
• 2.3.3 不同比例的Ce对Ti-11Si合金组织的影响
• 2.3.4 不同比例的Zr对Ti-11Si合金组织的影响
• 2.3.5 演变过程与机理讨论
• 2.4 小结
• 第三章 Ti-11Si-16Al合金的微观结构和高温摩擦学行为
• 3.1 前言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 试样的制备与微观组织观察
• 3.2.2 成分分析
• 3.2.3 维氏硬度测试
• 3.2.4 压缩测试
• 3.2.5 摩擦试样的制备与实验方法
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 微观组织和力学性能
• 3.3.2 磨损率和摩擦系数
• 3.3.3 磨损表面
• 3.3.4 磨屑分析
• 3.3.5 微观组织演变对力学性能的影响
• 3.3.6 高温磨损机制探讨
• 3.4 小结
• 第四章 Ti-Si-Sn三元系合金相图200℃等温截面
• 4.1 前言
• 4.1.1 历史资料
• 4.1.2 Ti-Si-Sn三元系
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 试样的制备
• 4.2.2 合金试样的均匀化热处理
• 4.2.3 粉末试样的制备
• 4.2.4 X射线衍射法
• 4.2.5 衍射仪的基本原理与构造
• 4.2.6 实验条件的选择
• 4.2.7 差热分析法（DTA）
• 4.2.8 金相分析法
• 4.2.9 电子显微分析
• 4.2.10 相界的测定
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 Ti-Si-Sn三元系合金相图200℃等温截面
• 4.3.2 Ti-Si-Sn体系相关二元系分析
• 4.3.3 三相区的讨论
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 本课题的创新与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文情况