Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料的性能研究

羅正斌

摘 要：以Ti基非晶合金和Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料為研究對象，通過分析其內部組織，發現復合材料中的Ti基合金均為非晶相，Ti基非晶合金與SiC陶瓷未生成新相；而SiC骨架中存在著“弱點”、微裂紋與氣孔、閉孔、應力集中點等缺陷；復合材料改變了復合前的缺陷，填補了原始陶瓷骨架中的裂紋，修補了“弱點”，避免了材料在承受載荷時在這些缺陷處產生應力集中，使材料的力學性能得到了改善。

關鍵詞：非晶合金復合材料 孔隙率 SiC 陶瓷骨架 微裂紋 力學性能

中圖分類號：TG75.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0118-02

陶瓷材料作為一種先進材料，具有多種優勢，如：高強度、高硬度、耐腐蝕、高耐磨性和低重量。可應用在車輛、船舶、飛機的關鍵部位，其應用范圍越來越廣泛。但陶瓷沒有塑性，易產生脆性斷裂，成型尺寸較小；而金屬具有高韌性，可以利用各自優勢，將其制成復合材料。目前，金屬陶瓷復合材料主要有陶瓷骨架增強金屬復合材料和陶瓷顆粒增強金屬復合材料兩大類，如SiC骨架鋁合金復合材料和SiC或B4C顆粒增強鋁合金的復合材料。

隨著對非晶合金研究的不斷深入，非晶合金的尺寸也越來越大，塊體非晶合金的制備，極大地拓寬了非晶合金的應用領域。塊體非晶合金擁有高硬度、高強度、高彈性、高耐腐蝕性、可精密成形以及良好的磁性等優異性能。

1 Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料密度與孔隙率

使用壓力—浸滲—快凝法（滲流鑄造法），將Ti基非晶合金母合金滲入預制的SiC陶瓷骨架孔洞中，獲得Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料。

根據復合材料SiC陶瓷骨架的原始孔隙率，對復合材料編號，I型SiC陶瓷骨架對應A型復合材料，II型SiC陶瓷骨架對應B型復合材料，III型SiC陶瓷骨架對應C型復合材料，將未經復合的Ti基非晶合金編號為0型材料。

實驗采用的Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料與Ti基非晶合金的真密度（見表1）。根據SiC骨架的實測孔隙率與Ti基非晶合金的實測密度，可算出Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料的理論密度。

從表1中可看出，Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料實際密度均高于理論密度，表明在復合材料制備過程中，Ti基非晶合金相滲入到SiC相中，填補了SiC相中一部分孔隙與裂紋，復合材料中Ti基非晶的實際含量將比SiC骨架的孔隙率高。

2 Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料的內部組織分析

2.1 相分析

圖1為Ti基非晶合金的X射線衍射曲線，曲線成饅頭峰狀，沒有明顯的特征峰，表明實驗制得的Ti基非晶合金為完全非晶結構。

圖2為Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料的X射線衍射曲線。曲線中只發現有SiC相的特征峰，并未發現其他晶體的特征峰，表明復合材料中的Ti基合金均為非晶相，且Ti基非晶合金與SiC陶瓷并未生成新相。

2.2 微觀形貌

圖3為不同孔隙率SiC陶瓷骨架的掃描電鏡照片，通過比較可以看出骨架I的孔徑明顯大于骨架III，這與理論上孔徑隨著孔隙率的降低而降低是一致的。

圖4的a、b、c為不同型號Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料掃描電鏡照片，其中深色部分為SiC相，淺色部分為Ti基非晶相。復合材料中各相分布均勻，Ti基非晶合金填充在SiC骨架之中，形成兩相各自連通、相互嵌套的網狀結構。

復合材料中，存在大量界面，骨架結構的復合材料兩相界面十分豐富，其結合狀況對整體性能的影響十分顯著。采用壓力—浸滲法制備復合材料需要將合金相加熱至其熔點附近或以上更高的溫度，在高溫環境下，會發生一定程度的界面反應、擴散、溶解、元素偏聚等過程。適當的擴散反應能夠使兩相相互滲透，結合緊密，但嚴重的界面反應會產生元素偏聚，使界面處成分偏離組元成分，造成非晶形成能力下降，影響性能，或產生新的反應物，破壞原有界面的結合，影響復合材料的整體性能。圖4的d為SiC陶瓷骨架/Ti基非晶合金復合材料中界面的掃描電鏡照片，可見Ti基非晶與SiC陶瓷兩相界面結合良好，界面處無孔隙。

2.3 微觀缺陷

圖5為SiC陶瓷骨架的微觀缺陷，可觀測到顆粒結合薄弱區域與閉孔缺陷。SiC陶瓷骨架制備過程中，難以避免會有少量的Si粉末依然以粉末狀存在于整體之中，形成顆粒結合薄弱區域。這些粉末之間結合面小、結合力弱，成為了整體當中的“弱點”。在承受載荷時，這些“弱點”易造成應力集中，萌生裂紋，或者由于結合力弱造成失效，最終引起骨架整體的迅速失效。SiC陶瓷骨架中的閉孔無法浸滲非晶合金，會在復合材料中保留，成為復合材料中的缺陷，造成性能降低。

SiC骨架中存在著“弱點”、微裂紋與閉孔等缺陷，隨著壓力—浸滲法制備復合材料過程殘留下來，形成了復合材料中的缺陷。在壓力—浸滲法制備過程中，也會產生一些新的缺陷，如非晶相中的氣孔等。Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料的性能將受到這些缺陷的影響。

2.3.1 閉孔

SiC陶瓷骨架在燒結時，由于SiC顆粒堵塞及開孔不充分等原因，形成了少量的閉孔，這些閉孔在復合材料中被保留了下來。如圖6的a所示，在經過拋光的復合材料試樣中可以觀測到一定數量的閉孔。在有些閉孔中還存在未完全燒結的SiC顆粒，如圖6的b所示。閉孔的存在并不能通過復合過程而去除，減少原始骨架中的閉孔數量能夠減少復合材料中的閉孔數量。閉孔的存在會影響復合材料的力學性能。

2.3.2 氣孔

在Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料中非晶相以及兩相界面處，偶爾可以觀察到氣孔（見圖7）。這些氣孔多在浸滲過程中形成，由于熔融非晶合金中混入了氣體，凝固過程中氣體析出造成的。氣孔對材料的力學性能影響十分顯著，易形成應力集中；復合材料中兩相界面處的氣孔會削弱界面的結合，成為材料中的薄弱點，在承受載荷時容易產生界面失效、萌生裂紋。復合材料中，隨氣孔數量的增多，材料的拉伸強度降低，如式1所示。

（1）

式（1）中σu為孔隙率為p的材料拉伸強度；σ0為密實的材料拉伸強度；α為破壞因子。

2.3.3 裂紋

在SiC骨架中，存在著“弱點”與微裂紋，都是在燒結過程中留下的缺陷。“弱點”的形成主要是由于少量SiC粉末未完全燒結，粉末之間結合面小，結合力差；微裂紋的形成主要是由于燒結過程留下的殘余熱應力等原因導致。“弱點”和微裂紋在承受載荷時容易成為裂紋萌生源。這些缺陷的存在會大大降低SiC陶瓷骨架的力學性能。在復合材料中，能夠觀察到Ti基非晶相與SiC相緊密結合，Ti基非晶填補到SiC相的裂紋之中，如圖8的a所示。但并非SiC陶瓷相中所有的裂紋都能在浸滲過程中被修復，仍有一些裂紋存在，如圖8的b所示。在復合材料中沒有SiC陶瓷相中的顆粒結合薄弱區域，因為Ti基非晶合金填補了SiC陶瓷骨架中的“弱點”，對“弱點”內的SiC顆粒起到了包裹與支撐的作用。復合后的材料改變了復合前的缺陷，部分的填補了原始陶瓷骨架中的裂紋，修補了“弱點”，避免了材料在承受載荷時在這些缺陷處產生應力集中，使材料的力學性能得到了改善。

2.3.4 應力集中點

在原始的SiC陶瓷骨架中，部分SiC顆粒夾角較為尖銳，在復合材料中體現為非晶相填滿尖角，形成非晶相尖角。這種非晶相中尖銳的凸出如圖9所示。承受載荷時容易在尖角處產生應力集中，易萌生裂紋，不利于復合材料力學性能的提高。

3 結語

通過壓力—浸滲—快凝法制備Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料，分析SiC陶瓷骨架孔隙率與孔徑分布，測量Ti基非晶合金及Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料的密度。對Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料進行相分析，發現Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料由非晶相與SiC相構成，界面處無新相生成；通過研究Ti基非晶合金/SiC陶瓷骨架復合材料的微觀形貌和缺陷。原始SiC陶瓷骨架中孔徑分布較為集中，孔徑隨孔隙率的減小而減小，理論密度與真密度接近；復合材料密度略高于理論密度，說明復合過程中Ti基非晶合金相修復了SiC骨架的內部缺陷；Ti基非晶合金SiC陶瓷骨架復合材料，兩相結合良好，無明顯界面反應，其內部缺陷主要有閉孔、氣孔，裂紋與應力集中點，浸滲過程中SiC相中部分缺陷被修復，材料性能得到明顯改善與提高。

參考文獻

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