作者：张毅
碳纳米管具有优异的力学性能，可以作为一种理想的增强相用于增强增韧陶瓷及聚合物等。WANG J等在TiAl粉体表面包裹碳纳米管(CNTs)，制备了Ti2 AIC-Al2 03 /TiAl复合材料。基于此，本课题以TiC和CNTs为碳源，利用TiC-Ti-Al-CNTs（碳纳米管）体系的原位热压技术制备Ti2 AIC增强的钛铝基复合材，研究其结构及性能。
1 试验方法
以TiC粉（纯度>99.5%，200目）、Ti粉（纯度>99. 5%，200目）、Al粉（纯度>99.5%，200目）、CNTs（纯度>99.8%，直径1 nm）为原料，根据设计配方（见表1）称量粉末，然后将粉末装入球磨罐内，加入酒精作为球磨助剂，用KQM-X4/B行星式球磨机进行湿法球磨，球磨罐和磨球均为不锈钢，球磨2h混合均匀，将混合好的粉末进行干燥处理。过筛后将混合粉装入石墨型，进行冷压成型ф50 mm×6 mm试样(5 MPa)，然后放人真空热压炉内进行真空热压烧结固化。以10℃／min的速率从室温升至1 350oC，在设定温度调节压力
至最大30 MPa，并保温2h后随炉自然冷却。然后进行电火花线切割，制成检测所需形状的试样，见图1。
采用日本理学D／max-2000PCX射线衍射仪进行物相分析，选用Cu的Kα射线，射线管工作电压和电流分别为40 kV和40 mA。试样表面经过打磨、抛光后，用体积分数为5%的HF溶液腐蚀15 s，再以超声波进行清洗，并用热鼓风机吹干，断口喷Au后，采用JSM-6390F扫描电镜观察微观结构。使用PT-1036PC万能试验机测试抗弯强度。试样打磨成标准尺寸：25 mm×4 mm×3 mm，跨距选择为20 mm。位移速度为5mm／min。断裂韧度的测量采用了单边缺口试样法，尺寸打磨成3 mm×4 mm×30 mm．切口深度a=o．45mm、宽度为0.12 mm，跨距S为24 mm，压头移动速度为0. 06 mm／min。
2 结果与分析
2.1 TiC-Ti-AI-CNTs体系合成产物的物相分析
图2是TiC-Ti-Al-CNTs体系经1 350℃×2h烧结后对应产物的XRD图谱。由图2可见，C10和C20的最终合成产物由TiAl和Ti2 AIC相组成；C30的最终合成产物由TiAl3和Ti2AIC相组成。由表1可见，从C10到C30，单质Ti的加入量减小，由于在高温CNTs很容易与Ti反应形成TiC，会消耗更多的Ti，故而C30的产物为TiAl3而非TiAl。
整个烧结过程中可能发生的化学反应如下：
Al(s)Al(l) (1)
Ti(s)+3A1(1)→TiAl3 (s) (2)
CNTs+Ti(s)→TiC(s) (3)
TiAl(s) +TiC(s)→Ti2AIC(s) (4)
2.2 TiC-Ti-AI-CNTs体系合成产物的组织分析
图3是TiC-Ti-Al-CNTs体系经1 350℃×2h烧结后对应产物腐蚀表面的SEM照片。由图3可见，Cl0和C20对应合成产物的显微结构基本相似，都由大颗粒状Ti2 AIC和弥散的小颗粒状Ti2 AIC构成，见图3a和图3b，C20较0,10的Ti2 AIC生成量要多。C30对应合成产物的显微结构完全不同于010和C20，Ti2 AIC增强相颗粒呈搭接层状分布，部分Ti2 AIC颗粒钉扎其间，构成特殊的晶内组织，见图3c和图3d，且Ti2 AIC生成量非常高。
2.3 TiC-Ti-AI-CNTs体系合成产物的力学性能分析
表2是TiC-Ti-Al-CNTs体系经1 350oC×2h烧结后对应产物的抗弯强度和断裂韧度。由表2可见，Cl0和C20试样生成相种类相同，区别在于C20比Cl0的Ti2 AIC增强相含量要多，因此C20的抗弯强度要低于Cl0的。Cl0的抗弯强度是444.2 MPa，比YANGF等制备出的Ti2 AIC/TiAl基复合材料的(380MPa)高出约16. 89%，接近于未掺杂CNTs、利用Ti-Al-TiC体系制备的Ti2AIC/TiAl基复合材料的抗弯强度(486 MPa)，但C20断裂韧度要高于Cl0的。说明对于Ti2 AIC／TiAl基复合材料，过高的Ti2 AIC生成量不利于抗弯强度的改善。C30的组成相为TiAl3和Ti2 AIC，C30的抗弯强度和断裂韧度分别为290. 97MPa和5.08 MPa．Ml/2，远高于TiAl3的抗弯强度(162 MPa)和断裂韧度(2 MPa．m1 / 2)，较TiAl3合金分别提高了79. 62%和154%。
3 结 论
(1)C10和C20的产物为Ti2 AIC和TiAl，增强相呈颗粒状和弥散状分布；C30的产物为Ti2 AIC和TiAl3，形成了搭接层状结构。
(2)对于Ti2 AIC／TiAl基复合材料，Ti2 AIC含量低时，综合性能较好，Cl0的抗弯强度和断裂韧度分别是444. 20 MPa和5.21 MPa．ml/2，C20的抗弯强度和断裂韧度分别是218. 94 MPa和5.52 MPa．m1/2。对于Ti2AIC／TiAl。基复合材料，其抗弯强度和断裂韧度分别可达290. 97 MPa和5.08 MPa．m1/2。
4摘 要
利用TiC-Ti-Al-CNTs体系的原位热压技术制备Ti2 AIC增强的钛铝基复合材料。借助XRD和SEM分析不同配方对应产物的相组成、显微结构及性能。结果表明，由于CNTs的掺杂消耗了Ti，导致形成的产物组成不同。对于Ti2 AIC／TiAl基复合材料，Ti2AIC增强相呈颗粒状分布，Ti2 AIC含量低时，综合性能较好；对于Ti2 AIC/TiAl3基复合材料，由于形成了搭接层状结构，弯曲强度和断裂韧度分别为290. 97 MPa和5.08 MPa．m1/2，较TiAl3合金分别提高了79. 62%和154%。
