[00133628]高性能结构材料制备关键技术研发与创新

高温结构材料的研究、开发应用与航空、航天工业的发展息息相关,也是21世纪航空航天推进系统实现革命性变革和发展的关键因素。对于航空发动机而言,发动机的温度和空气压缩比与燃料消耗速率和发动机的推力直接相关。提高工作温度和减轻发动机部件的重量是改善现有发动机的性能、研究高推重比新型发动机的两项主要措施。因此,航空和航天器发动机的选材应具备“更轻、更刚、更强和更耐热”四种特性。TiAl金属间化合物被认为是极具应用潜力的新一代轻质耐高温结构材料,应用于航空航天及汽车发动机将通过结构减重提高发动机工作效率,具有重要的技术推动作用。但是,TiAl基金属间化合物存在几个关键科学问题亟待解决： （1）本征脆性,工艺性能差,难以成型; （2）高温抗氧化性能不足,当其使用温度高于800℃时,其抗氧化性能迅速降低,严重地阻碍了其应用化进程。 目前,解决TiAl基金属间化合物室温脆性、成形性能差的方法有： （1）组织结构优化及控制,例如构筑双态组织（γ-TiAl/α2-Ti3Al）、合金化手段、热处理工艺、先进成形技术（如熔模精密铸造工艺、快速凝固技术）等; （2）设计开发新的合金体系; （3）超塑性成形技术; （4）降低环境脆性; （5）复合化技术,通过引入高性能纤维、晶须及陶瓷粒子改善基体性能。改善TiAl基金属间化合物高温抗氧化性能的主要手段有： （1）添加有明显韧化效果的合金元素,如Nb、HF及Y元素; （2）表面涂层开发和结构设计。 研究表明,复合化是克服TiAl基合金性能缺陷、提高高温性能并促进其实用化最有效的途径。本成果创造性地优选第二相,采用原位热压放热反应合成技术成功制备了高性能TiAl基金属间化合物;此外,还进行了高性能钛铝碳可加工陶瓷的可控制备技术研究,对推动高性能TiAl基金属间化合物的研究具有重要意义。具体研究内容包括： （1）Tin+1AlCn 及Tin+1AlCn /Al2O3（n=1或2）陶瓷的关键制备技术研究 利用Ti-Al-C、TiC-Ti-Al和Ti-Al-C-TiO2等混合体系,采用原位热压放热反应合成技术实现了高纯Ti3AlC2的可控制备、第二相强化Ti3AlC2及固溶协同强化Ti3AlC2。 （2）原位自生第二相（Al2O3、钛铝碳）强韧化TiAl基金属间化合物的设计与制备基础研究 研究原位自生第二相强韧化TiAl基金属间化合物的增强相特征调控及其在分散动力学规律,实现增强相特征与分散可控。从微观角度研究第二相相含量、分布等对TiAl基金属间化合物结构的影响,揭示增强相与基体之间的相互作用及协调机理。研究复合界面及结构的形成机制与演变规律,实现复合界面及结构的有效调控,最终形成高性能、低成本原位自生第二相强韧化TiAl基金属间化合物的可控制备技术原型及相应的理论体系。 （3）原位自生第二相（Al2O3、钛铝碳）强韧化TiAl基金属间化合物的制备工艺、结构与性能之间的关系构建 通过研究配方设计、增强相含量、烧结制度、压力制度等对显微结构和力学性能的影响规律,构建工艺-结构-性能之间的关系,进而探讨原位自生第二相强韧化TiAl基金属间化合物的强韧化机理。 （4）原位自生第二相强韧化TiAl基金属间化合物的高温氧化行为研究 研究原位自生第二相强韧化TiAl基金属间化合物的高温氧化行为。借助各种结构表征手段氧化产物、氧化层厚度和氧化层结构特征,分析影响氧化性能的主要因素,建立高温氧化动力学模型,揭示高温氧化机制。 成果相关内容发表学术论文35篇,被SCI收录16篇,EI收录6篇,CSCD收录13篇。授权国家发明专利9项。