● 摘要
Ti-Al系金属间化合物具有高比强度、高比模量、良好的高温蠕变性能和抗氧化性等优点，成为最有可能在航空航天领域应用的高温结构材料之一。但受其本征脆性影响，Ti-Al系金属间化合物的加工和实际大规模应用还依旧非常困难。近年来，人们在研究陶瓷等脆性材料时发现，以仿生贝壳结构设计得到的“微叠层结构材料”，不但可以克服其室温韧性差的缺点，而且兼顾了其高强的特点。本研究即意在通过将微叠层结构引入Ti-Al系金属间化合物中，利用韧性的金属提高其室温韧性，并令其兼具金属间化合物的高温强度。本论文中凭借Ti/Al箔箔冶金法获得了该类微叠层结构材料，在对不同组织结构材料的力学性能和失效机理进行了分析和评价的同时，对箔材反应过程中的各种机制进行了研究。
利用冷轧后的“Ti/Al箔叠层材料”研究了Ti/Al箔材之间的反应机制和孔洞生成机理。研究表明在Al熔点以下热处理时，TiAl3是唯一的生成相，在固态扩散过程中因为元素箔表面氧化层的破坏等原因导致TiAl3颗粒异常长大，使得Ti与Ti-Al系金属间化合物的界面呈现为波浪状分布，不利于微叠层结构获得；而在Al的熔点以上，Ti与Al之间发生快速的自蔓延燃烧反应（SHS），反应中可直接获得α-Ti/Ti3Al/TiAl/TiAl2/TiAl3的扩散偶，该扩散偶经过长时间热处理将得到Ti3Al和TiAl的平衡结构；本文对固态扩散反应与SHS反应中孔洞出现机理进行分析表明，固态扩散时以Kirkendall孔洞为主，SHS反应中以体系膨胀后收缩造成的孔洞为主。
为了获得具有致密组织的金属间化合物微叠层结构材料，本论文探索了利用热压法制备Ti-Al系金属间化合物微叠层材料的关键技术，研究表明在Al的熔点以下热压，除界面不平直以外，由于TiAl3的变形抗力较大及孔洞表面氧化物及杂质的聚集，孔洞亦无法完全消除。利用Al熔点以上的三步变温热压工艺，本研究最终获得了致密的Ti/Ti-Al系金属间化合物微叠层（Metal-intermetallics laminated, MIL）材料、Ti3Al/TiAl微叠层材料以及均匀Ti-Al系金属间化合物材料；通过力学性能测试发现，MIL材料具有最为优异的综合性能，对其断裂机制进行分析表明Ti层对裂纹的钝化、偏转和桥接作用，有效的阻止了裂纹进一步扩展，降低了材料对缺陷的敏感性，从而获得了较高的强度，同时大量微裂纹的产生亦增加了材料的韧性；对MIL材料在不同载荷方式下的力学行为进行了研究，表明其在弯曲载荷下会显示出更加优异性能，并对其原因进行了分析。
根据层合板复合材料混合定律与Shear lag模型推导出了描述MIL材料中叠层结构参数与强度的关系方程，方程中阐明了Ti层中Al的固溶度、组元层厚度、层间距以及金属间化合物的强韧性与MIL材料性能的关系，通过计算和实验结果对比表明在金属间化合物层的强韧性较好、层间距较小时，该方程的定量分析结果与实验结果符合较好；同时，此方程可定性和半定量的分析由反应烧结法制备的MIL材料的性能趋势；利用该种MIL材料的结构参数的可设计性，得到了性能优异的MIL材料，其抗拉强度达751MPa、比强度达177N·m/kg、缺口韧性可达44MPa·m1/2。
最后本文探索了元素箔材与放电等离子烧结（SPS）相结合的制备工艺，结果表明新工艺在较低温度和较短时间即可获得的组织致密Ti-Al系金属间化合物合金材料；力学性能测试结果显示：SPS烧结所获得的MIL材料的力学性能获得了进一步提升，优于传统热压工艺制备的相同成分和相同结构的微叠层结构组织，其原因主要是SPS的升温速度快，保温时间短、冷却速度快等优点，可以有效控制MIL材料中的晶粒长大。