非连续增强TiAl基复合材料板材的设计与合成理论基础研究

首先制备SiCp/Al复合材料板材，再利用热轧制方法，制备SiCp/Al复合材料和纯钛交替叠层的SiCp/Al-Ti多层复合板材。通过热处理，使铝和钛发生界面化学反应，得到钛铝金属间化合物，同时利用铝基复合材料中的SiC颗粒与Ti的化学反应，原位生成Ti5Si3和TiC陶瓷增强相，得到Ti5Si3和TiC颗粒混杂增强钛铝基复合材料板材。本项目提出了一种新的TiAl基复合材料板材的设计思想和制备方法，重点研究复合材料板材的体系设计、工艺优化、原位化学反应热力学与动力学，以及板材成形过程组织与性能变化规律，得到高性能TiAl基复合材料板材。与TiAl板材相比，TiAl基复合材料板材的比强度和比刚度以及使用温度大幅度提高，并可解决TiAl板材轧制成形困难的问题。本项目将为对可在700-900℃正常使用，并且密度低于4.0g/cm3的轻质、高强、耐热结构板材的需求提供理论支撑和技术保障。

本项目在国家自然科学基金的资助下，完成了非连续增强的TiAl基复合材料板材的设计与合成理论的基础研究，取得了以下研究成果：i）解决了SiC/Al复合材料与Ti的变形协调性问题，完成了复合板材的轧制成形；ii）阐明了SiC/Al复合材料与Ti的两步热处理的反应机理问题，提出了消除科肯达尔空洞的工艺方法；iii）制备了大尺寸TiAl基复合材料板材，验证了此工艺方法的可行性，为解决大尺寸TiAl基复合材料板材的合成问题提供了可行的工艺方案；iv）培养博士生3名，硕士生5名，发表SCI论文15篇，参加国际会议7人次，授权国家发明专利5项。.本项目以SiC/Al基复合材料板材(SiCp/Al)和纯Ti板材为原料，采用叠轧-反应烧结工艺，通过Ti与SiCp/Al中的Al反应生成TiAl复合材料板材基体，同时在制备基体板材的过程中，使得SiC颗粒与Ti及Al发生化学反应，制备出微层(Ti3AlC+Ti8C5)与颗粒Ti5Si3混杂增强TiAl基复合材料板材。研究了TiAl基复合材料板材的制备工艺，系统研究了轧制变形和反应热处理两阶段的物相组成，组织演化及产物的性能特点，对制备的微层(Ti3AlC+Ti8C5)与Ti5Si3混杂增强TiAl复合材料板材进行了片层化热处理，制备出具有细小全片层组织结构的TiAl基复合材料板材，进行了室温和高温力学性能检测，分析了增强体对TiAl基复合材料板的组织与性能产生的影响。.对制备的Ti-(SiCp/Al) 多层复合板材进行了反应烧结处理合成TiAl基复合材料板材。通过DTA试验分析将反应烧结工艺分为低温反应烧结及高温反应烧结两个阶段。通过片层化热处理， TiAl基复合材料板材基体全部转化为全片层结构，随着微层(Ti3AlC+Ti8C5)及颗粒Ti5Si3的引入，使板材的硬度及模量增加。同时陶瓷层的引入使得TiAl复合材料板材断裂韧性增加。高温拉伸实验表明，随着温度升高，TiAl复合材料板的抗拉强度不断增加，延伸率增加。板材在高温下依然为脆性断裂。