石墨烯包覆Si3N4顆粒變質(zhì)細(xì)化及彌散強(qiáng)化鈦鋁合金

鈦鋁合金因其輕質(zhì)高強(qiáng)、優(yōu)異的高溫性能及抗蠕變性，在航空航天與汽車發(fā)動機(jī)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，被視為新一代高溫結(jié)構(gòu)材料的候選者。然而，其低斷裂韌性和較差的室溫塑性限制了其廣泛應(yīng)用。

鈦鋁合金在高溫下展現(xiàn)出良好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但其脆性斷裂和室溫下較低的塑性成為制約其應(yīng)用的關(guān)鍵因素。通過向鈦鋁合金基體中引入陶瓷顆粒，如氮化硅（Si3N4），可以顯著細(xì)化基體晶粒和層片間距，并增強(qiáng)基體的彌散強(qiáng)化效果。本文采用石墨烯包覆Si3N4納米顆粒（SGP）及Ti2AlC-Ti2AlN孕育劑薄帶，探索其對鈦鋁合金的變質(zhì)細(xì)化及強(qiáng)化作用。

本文旨在通過引入陶瓷顆粒作為增強(qiáng)體，結(jié)合石墨烯的包覆技術(shù)，實現(xiàn)鈦鋁合金的細(xì)化和強(qiáng)化，從而改善其力學(xué)性能。

SGP顆粒合成：

通過高能球磨和真空快淬工藝，合成石墨烯包覆氮化硅納米顆粒（SGP）。

孕育劑薄帶制備：

制備Ti2AlC-Ti2AlN/TiAl孕育劑薄帶，用于后續(xù)的合金化過程。

復(fù)合材料制備：

將SGP顆粒和孕育劑薄帶分別加入鈦鋁合金基體中，通過適當(dāng)?shù)?/span>熱處理工藝，制備出SiC-Ti2AlN/TiAl基復(fù)合材料和Ti2AlC-Ti2AlN/TiAl基復(fù)合材料。

1SGP顆粒的細(xì)化效果：添加1.0% SGP顆粒后，鈦鋁合金的平均晶粒尺寸細(xì)化至約40μm，平均層片間距減少至30nm，顯示出顯著的細(xì)化效果。原位合成的SiC和Ti2AlN增強(qiáng)相均勻彌散分布在基體中。

添加1.0% Ti2AlC-Ti2AlN/TiAl薄帶后，基體晶粒尺寸略有細(xì)化，但平均層片間距未見減小。增強(qiáng)相大多長大為微米級，且與薄帶中的納米顆粒分布不一致。隨著薄帶添加量的增加，微觀組織顯著惡化。

Ti2AlC-Ti2AlN/TiAl基復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和延展性較基體提升不明顯。相比之下，SiC-Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度隨SGP添加量增加而持續(xù)升高，極限壓縮強(qiáng)度和壓縮斷裂應(yīng)變則呈現(xiàn)先增后減的趨勢。當(dāng)SGP添加量為1.0%時，復(fù)合材料表現(xiàn)出最佳的塑性-強(qiáng)度匹配，屈服強(qiáng)度約1520.2MPa，極限壓縮強(qiáng)度約2545.4MPa，壓縮斷裂應(yīng)變達(dá)到16.0%。

在1273K~1473K高溫條件下，SiC-Ti2AlN/TiAl復(fù)合材料的應(yīng)力峰值較基體合金明顯提高，顯示出優(yōu)異的高溫強(qiáng)度。

復(fù)合材料的機(jī)械性能提升主要歸因于多種強(qiáng)化機(jī)制的共同作用：

1. 細(xì)晶強(qiáng)化：SGP顆粒和孕育劑薄帶均促進(jìn)了鈦鋁合金基體的晶粒細(xì)化，細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)顯著。

2.固溶強(qiáng)化：間隙氮原子的固溶強(qiáng)化了基體合金。

3.彌散強(qiáng)化：基體中均勻分布的SiC和Ti2AlN增強(qiáng)相提供了有效的彌散強(qiáng)化效果

本文通過引入石墨烯包覆Si3N4納米顆粒（SGP）和Ti2AlC-Ti2AlN孕育劑薄帶，成功制備了SiC-Ti2AlN/TiAl基復(fù)合材料和Ti2AlC-Ti2AlN/TiAl基復(fù)合材料，并系統(tǒng)研究了它們的組織細(xì)化和力學(xué)性能。結(jié)果表明，SGP顆粒在細(xì)化基體組織和提升力學(xué)性能方面表現(xiàn)更為優(yōu)異。當(dāng)SGP添加量為1.0%時，復(fù)合材料展現(xiàn)出最佳的塑性-強(qiáng)度匹配和高溫強(qiáng)度，為鈦鋁合金的強(qiáng)韌化提供了新的有效途徑。

【石墨烯包覆 Si3N4顆粒變質(zhì)細(xì)化及彌散強(qiáng)化鈦鋁合金】

河北工業(yè)大學(xué)-呂 健