DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.05.027
自生TiCp/Ti复合材料中TiC的形貌及缺陷
哈尔滨工业大学金属精密热加工国防科技重点实验室
哈尔滨工业大学金属精密热加工国防科技重点实验室 哈尔滨150001
摘 要:
研究了TiCp/Ti复合材料中增强相TiC的形貌和缺陷。XRD和SEM分析表明 , 材料中的TiC以初生枝晶状和共晶短棒状为主 , 另外还存在细小块状TiC。材料的深腐蚀SEM观察发现 , TiC枝晶表面存在生长条纹 , 内部存在孔洞。生长条纹是TiC枝晶在自由生长过程中由于周围温度和溶质浓度梯度的波动而产生的。TiC枝晶内部存在纯Ti析出物 , 该析出物在制样过程中被腐蚀而留下了孔洞
关键词:
中图分类号: TB331
收稿日期:2000-09-18
基金:金属精密热加工国防科技重点实验室开放基金资助项目 ( 99JS6 1.5 .1ZS6 10 2 );
Morphology and defect of TiC in in-situ TiCp/Ti composite
Abstract:
The morphologies and defects of TiC in TiC p/Ti composites were studied. The analysis results of XRD and SEM indicate that TiC mainly exists in the matrix with primary dendrite and short bar shape eutectic. In addition, fine TiC particles are found. The growth stripe and the pore are observed at the surface and in the center of TiC in the deeply etched microstructure, respectively. It is considered that the growth strip is due to the fluctuation of temperature and solute concentration gradient during the free growth process of TiC dendrite. However, Ti precipitates are found in the center of TiC and deep etching of Ti precipitates leads to the appearance of the pore in SEM microstructure.
Keyword:
composite; morphology; defects;
Received: 2000-09-18
原位自生的颗粒增强钛合金基复合材料 (PTMCs) 具有较广阔的应用前景, 已引起人们广泛的关注, 成为研究的热点。 在PTMCs制备工艺上, 日本的研究者多采用机械合金化和粉末冶金法
1 实验方法
将TiC粉与Al粉混合均匀并冷压成相对致密度为50%~60%的预制块, 将其置于真空加热炉中加热使铝熔化并包覆TiC颗粒, 制成TiC和Al的混合料。 将TiC和Al的混合料、 海绵钛及纯铝 (纯度为99.99%) 按一定比例混合, 在电磁搅拌真空水冷铜坩埚非自耗电弧炉中熔化。 为使化学成分均匀, 经3次熔炼制得铸锭, 每次的熔炼量为1.2 kg。 定向凝固实验在自制的磁悬浮定向凝固装置中进行, 试样尺寸为直径d8 mm×100 mm。 X衍射分析在Rikagu D/Max 衍射仪上进行, 采用Cu靶, 电压为20 kV。 在S-570型扫描电子显微镜上观察微观组织, TEM组织观察则在H800型透射电子显微镜上进行。
实验所用合金的设计成分与实测成分见表1。
表1 合金成分
Table 1 Composition of alloy (mass fraction, %)
Al | C | Ti | TiC | |
Designed value | 6.6 | 2.0 | Balanced | 10 |
Experimental value | 6.2 | 1.89 | Balanced | 9.5 |
2 结果及分析
2.1 TiC/Ti复合材料的组织
图1所示为TiC/Ti复合材料的X射线衍射图。 可见合金由TiC和α-Ti组成, 其中TiC衍射峰均发生右移, 晶格常数变小, 为0.430 22 nm。 据文献
TiCp/Ti复合材料铸态组织中增强相的常见形态为树枝状和短棒状, 如图2所示。 枝晶一次轴长度为60~100 μm; 短棒状TiC的长度多为4~10 μm, 直径约2~3 μm。 其中枝晶状TiC为初生TiC, 是在过冷熔体中自由生核长大生成的; 短棒状TiC则是共晶转变过程中TiC与β-Ti共生生长而成
TEM研究表明, 除上述2种形态的TiC颗粒外, 还存在较多尺寸为0.8~4.0 μm的细小颗粒, 形状多为规则块状, 分布在晶界或三角晶界上, 图3 (a) 和 (b) 为这种小颗粒的TEM形貌和微区衍射斑点, 对衍射斑的分析表明此斑点为面心立方体的
图1 TiC/Ti复合材料的XRD图谱
Fig.1 XRD pattern of TiC/Ti composite
图2 复合材料中TiC的形态
Fig.2 Morphologies of TiC in TiC/Ti composite (a) —Dendritical primary TiC; (b) —Bar-shape eutectic TiC
2.2 增强相TiC中的缺陷
TiC的表面和内部常存在一些缺陷, 其中最常见的缺陷是TiC表面的生长条纹 (如图4 (a) 所示) , 这种条纹有的沿着枝晶生长方向发展, 有的则与枝晶生长时的固液界面平行, 这些条纹经高温热处理, 枝晶发生熔断后仍然存在 (如图4 (b) 所示) , 即使枝晶完全熔断成细小颗粒, 其表面仍然可观察到这种条纹 (如示图4 (c) 所示) 。 这种条纹只在初生TiC枝晶的表面存在, 而在共晶TiC中未发现, 故可以认为是在TiC枝晶的自由生长过程中周围的温度梯度或溶质浓度梯度的波动影响枝晶的生长而产生的, 而且与枝晶的生长方式有关。 例如图5 (a) 中螺旋状生长条纹的产生原因可推测为TiC枝晶在适当的条件下按螺旋状生长时留下的痕迹。 图5 (b) 为按螺旋方式生长的TiC。 另外, 在SEM照片中往往见到TiC颗粒剖面上存在孔洞状缺陷 (如图4 (b) 和图6 (a) 所示) , 但进一步的研究结果证明, 复合材料中TiC颗粒是致密的, 内部并不存在孔洞。 SEM照片中见到的孔洞可能是在制样过程中产生的, 图6 (b) 为枝晶经深腐蚀和折断后的形貌, 可见枝晶内部是致密的。 图6 (c) 为TiC枝晶的背散射电子像, 能谱分析表明枝晶内部含有纯钛析出物。 由Ti-C相图
图3 复合材料中细小TiC的TEM照片
Fig.3 TEM images of fine TiC in TiC/Ti composite (a) —Morphology of TiC at triangle boundary; (b) —SAD pattern of TiC; (c) —Boundary morphology of TiC
图4 铸态和热处理态TiC颗粒表面生长条纹
Fig.4 Growth stripe at surface of as-cast TiC (a) , dissolving TiC (b) and granulated TiC (c)
图5 TiC表面的螺旋条纹和TiC的螺旋状生长
Fig.5 Screw growth stripe at surface of TiC (a) and TiC growing in screw growth way (b)
图6 复合材料中TiC枝晶内部状态
Fig.6 Interior morphologies of TiC dendrite (a) —Porosities in TiC dendrite after slow cooling; (b) —TiC dendrite after corrosion and breaking; (c) —Back scattered image of TiC dendrite and pure Ti precipitates
参考文献
[9] MassalskiTB .BinaryAlloyPhaseDiagramsVolume1[M].AmericanSocietyforMetals, 1986, 595.