TiAl 基合金具有低密度和優良的高溫力學性能，是航空航天領域內一種理想的結構材料，但低塑性和低斷裂韌性限制了TiAl基合金目前在工程上的應用。碳納米材料是指至少在一個維度上尺寸小於100 nm 的碳材料。以納米纖維、碳納米管和石墨烯為代表的碳納米材料具有低密度、高強度、高彈性模量和優異的導電、導熱性能，是改性TiAl 基合金的一種潛在理想增強相。對於碳納米材料改性TiAl基合金，製備工藝的差異能夠造成力學性能的顯著差異，例如燒結溫度的差異能夠引發碳納米材料與TiAl基體之間不同程度的介面反應，從而對復合材料的力學性能產生影響。因此，探究納米材料改性TiAl基合金的製備工藝、介面反應原理以及強化機制具有重要意義。
TiAl 基合金具有低密度和優良的高溫力學性能，是航空航天領域內一種理想的結構材料，但低塑性和低斷裂韌性限制了TiAl基合金目前在工程上的應用。碳納米材料是指至少在一個維度上尺寸小於100 nm 的碳材料。以納米纖維、碳納米管和石墨烯為代表的碳納米材料具有低密度、高強度、高彈性模量和優異的導電、導熱性能，是改性TiAl 基合金的一種潛在理想增強相。對於碳納米材料改性TiAl基合金，製備工藝的差異能夠造成力學性能的顯著差異，例如燒結溫度的差異能夠引發碳納米材料與TiAl基體之間不同程度的介面反應，從而對復合材料的力學性能產生影響。因此，探究納米材料改性TiAl基合金的製備工藝、介面反應原理以及強化機制具有重要意義。
圖1 幾種典型的碳納米材料
(a)碳納米纖維；(b)碳納米管；(c)石墨烯
製備工藝
碳納米材料改性TiAl基合金的製備方法主要包括粉末冶金法、焊接法、鑄造法和增材製造法。其中粉末冶金法是使用最為廣泛的製備方法。從成形溫度、介面反應、分散均勻性、晶粒尺寸和缺陷的角度對上述方法進行比較：粉末冶金法的工藝溫度在950~1300 ℃，焊接法、鑄造法和增材製造法的工藝溫度一般在合金熔點以上，因此粉末冶金法的介面反應程度最低，晶粒尺寸最小。粉末冶金法和增材製造法具有較高的分散均勻性，鑄造法的分散均勻性受到熔體流動速率的影響，焊接法只能實現碳納米材料在焊縫區域內分布。粉末冶金法中的缺陷受到初始粉末缺陷的影響；鑄造法在低冷卻速率下容易形成粗晶，但在高冷卻速率下容易形成熱裂紋、亞穩相等缺陷；焊接法、增材製造法中熱裂紋同樣易於產生，且增材製造過程中的重熔現象還能夠引起柱狀晶等缺陷的形成。
圖2 RGO/TiAl復合材料的粉末冶金製備工藝
強化機制
研究表明，碳納米材料能夠提升TiAl基合金的屈服強度，強化機制主要包括細晶強化、第二相強化和載荷傳遞機制。一方面碳納米材料的添加阻礙製備工藝中晶粒生長，起到細晶強化作用，另一方面，碳納米材料與TiAl的介面產物能夠起到第二相強化的作用。其中TiC作為不可變形第二相粒子，能夠起到沉澱強化的作用，強化效果可以由Orowan機制進行描述，Ti2AlC作為一種可變形第二相，可能起到協調基體變形，增加裂紋擴展途徑的作用，但這一猜測尚缺乏充分的表征證據。載荷傳遞機制是復合材料中最為重要的強化機制，是指增強體代替基體作為載荷的主要增強體，其強化效果受到介面結構的影響，部分研究基於剪切滯後模型、Halpin-Tsai等模型對碳納米材料在復合材料中的載荷傳遞機制強化效果進行估計，但目前與實驗結果仍存在較大差距。分子動力學模擬對介面的變形機制的分析，有望揭示不同介面結構對復合材料性能的影響。
圖3 碳納米管改性純Cu復合材料中載荷傳遞機制的強化效果
結 語
目前對碳納米材料增強TiAl 基合金復合材料的研究仍處於起步階段。在粉末冶金法、焊接法、鑄造法和增材製造法等製備技術中，粉末冶金法是使用最廣、有望得到最佳組織性能的方法，但是粉末冶金法仍面臨著碳納米材料難以在基體中均勻分散的困難。部分研究證明了碳納米材料對硬度、屈服強度和抗彎強度有提升效果，但對斷裂韌度、抗蠕變、疲勞等性能的研究還有待開展，不同種類、尺寸和形貌對復合材料力學性能的影響程度及作用也尚未明確。碳納米材料與TiAl 基合金存在複雜的介面反應，涉及TiC、Ti2AlC等相的生成。在納米尺度上，這些介面產物的形成條件、與基體的相互作用、對復合材料力學性能的影響，大部分仍處於未知狀態。細晶強化、第二相強化和載荷傳遞機制是碳納米材料提高TiAl 基合金屈服強度的主要機制。其中最重要的載荷傳遞機制，在很大程度上取決於復合材料的介面組織結構。因此，探究碳納米材料尤其石墨烯與TiAl 基合金介面反應控制原理以及介面產物對性能的影響機理，將是今後最為重要的研究方向。
來源：航空材料學報