层状结构Ti5Si3/TiAl复合材料板材的合成理论与力学特性

In this project Ti foils and Al-Si alloy foils are used as starting materials to prepare Ti/Al-Si composites by hot compression and hot rolling, which are multi-step heat treated to fabricate Ti5Si3/TiAl laminated composites alternately consisting of TiAl layers and Ti5Si3/TiAl layers. The fabrication is based on the different solid solubility of Si in titanium aluminides (TiAl3、Ti2Al5、TiAl2、TiAl、Ti3Al) and chemical reactions of Ti-Al-Si. Effects of starting materials and heat treatments parameters on the microstructures are studied. Distribution of the Ti5Si3 reinforcement particles will be controlled by adjusting some parameters including starting materials and heat treatments, and synthesis mechanism of Ti5Si3/TiAl laminated composites will be clarified. The mechanical properties of Ti5Si3/TiAl laminated composites are tested, and the relationship between mechanical properties and laminated structures will be constructed. The deformation behavior of Ti5Si3/TiAl laminated composites are in-situ characterized to uncover the strengthening and toughening mechanisms of the composites. The implementation of this project will enrich the theory of fabrication and deformation of metal matrix composites, and provide a technique and theory support to solve the problems for forming high performance TiAl plate.

本项目选择钛箔和铝硅合金箔作为原材料，对交替层叠两种箔材进行真空热压和热轧，通过分步反应热处理技术，利用硅元素在Ti-Al二元金属间化合物（TiAl3、Ti2Al5、TiAl2、TiAl、Ti3Al）中的固溶度的差异及Ti-Si化学反应，形成层状分布的原位自生Ti5Si3增强体，制备出Ti5Si3在三维空间内层状分布的Ti5Si3/TiAl层状复合材料板材。研究原材料参数（原材料箔厚度、Si含量）及热处理工艺对层状复合材料微观组织的影响规律，实现Ti5Si3增强体的层状分布，揭示层状复合材料合成机制。测试层状复合材料力学性能，建立层状结构参数与力学性能间的关系；原位分析层状复合材料变形过程的组织结构演化规律，揭示Ti5Si3/TiAl层状复合材料的强韧化机制。项目的实施将丰富金属复合材料的制备与成形理论，为解决高性能TiAl薄板成型难题提供有效技术途径和理论支撑。

为解决高性能TiAl板材制备与成型难的问题，通过分步反应热处理技术制备了一种增强体层状分布的TiAl板材，研究复合材料分步反应热处理相关的理论基础和技术问题，揭示层状结构对材料高温变形与高温氧化的影响规律及机制，最终实现高性能TiAl合金板材的制备与成型一体化，丰富金属复合材料的制备与成形理论。基于前期层状复合材料的制备经验，以Ti箔和Al-Si合金箔为原材料，通过两步反应退火成功制备出由TiAl基体层和Ti5Si3增强的TiAl层构成的增强体体积分数为2.4%，7.2%，12%的Ti5Si3/TiAl层状复合材料。研究两步反应退火中保温温度和时间对微观组织的影响规律，总结多层复合板反应退火过程和合成机理并进一步优化了工艺参数。重点研究了Si在TiAl3层中的原位析出行为和不同Al含量对Ti基体组织的影响规律及Ti3Al的析出行为。研究Al-Si合金箔中Si含量对Ti5Si3/TiAl复合材料板材中Ti5Si3增强体分布的影响规律。通过改变原始箔材厚度成功制备了独特的粗晶层与细晶层交替排列的Ti5Si3/Ti3Al复合材料板材，总结了Ti箔和Al-Si合金箔的原始厚度及反应退火参数对于TiAl基复合材料微观组织的影响规律。通过测试Ti5Si3/TiAl复合材料板材的室温和高温力学性能，建立了具有层状分布特征的复合材料板材力学性能与微观组织间的关系。基于扫描电镜的原位加载装置通过DIC技术原位分析了Ti5Si3/TiAl复合材料板材变形过程中的应变演化行为，采用同步辐射三维成像技术表征了材料的断裂行为，提出了Ti5Si3/TiAl复合材料板材的强韧化机制。通过测试Ti5Si3/TiAl复合材料板材的高温抗氧化性能，揭示了Ti5Si3/TiAl复合材料板材氧化动力学规律及微观组织与层状结构对复合材料高温抗氧化能力的影响规律。发表学术论文11篇。培养博士研究生5名，已毕业4名；培养硕士研究生2名均已经毕业。