摘 要

Ti作为耐高温、轻质金属在航空航天领域有着广泛的应用，可是它不耐氧化，易与常用的涂层反应。Ni₃Al是Ni-Al系的一种金属化合物，具备高熔点、低密度的特点。在高温下拥有高强度以及优秀的抗蠕变性能，可以在1000℃以上的高温恶劣环境下工作，是一种重要的高温结构材料。因此考虑添加Ni₃Al隔离层是一种减缓反应的有效措施，并以此来解决Ti与涂层反应及应力问题。

本文通过研究Ni₃Al/Ti复合材料的性能，对其烧结温度、成分配比、烧结压力进行控制，并对材料的密度、弹性模量、热膨胀系数、导热系数、泊松比等性能进行测试，同时使用XRD和EDS进行物相分析，使用SEM对其断口进行形貌分析，得到了性能较为优良的复合材料，为对Ni₃Al/Ti复合材料梯度化提供参考。结果显示，在烧结温度为800℃，烧结压力为3.2kN，升温速率为50℃/min，保温5min的条件下，使用放电等离子烧结（SPS）可以获得该种材料。随着Ti含量的增加，Ni₃Al/Ti复合材料的密度减小，热膨胀系数减小，导热系数减小，弹性模量增加。

通过使用ANSYS对梯度材料在800℃的热场以及3.2kN的力场下进行热应力分布的拟合，我们可以在沿厚度方向的热应力分布图中选定热应力极小值处对应的位置为梯度材料界面所在位置来设计梯度材料。

关键词：Ti；Ni₃Al；功能梯度材料；有限元分析

Abstract

Ti as a high temperature, light metal in the field of aerospace has a wide range of applications, but it is not resistant to oxidation, easy to react with the commonly used coating. Ni3Al is a Ni-Al system of a metal compound, with high melting point, low density characteristics. It is an important high temperature structural material with high strength and excellent creep resistance at high temperature and can work in high temperature environment above 1000 ℃. Therefore, considering the addition of Ni3Al isolation layer is an effective measure to mitigate the reaction, and to solve the Ti and coating reaction and stress problems.

In this paper, the properties of Ni3Al / Ti composites were studied, and the sintering temperature, composition ratio and sintering pressure were controlled. The properties such as density, elastic modulus, thermal expansion coefficient, thermal conductivity and Poisson's ratio were tested. The XRD and EDS were used to analyze the surface of the Ni3Al / Ti composites, and the composite materials with excellent properties were obtained by SEM. The results show that the material can be obtained by spark plasma sintering (SPS) under the conditions of sintering temperature of 800 ℃, sintering pressure of 3.2kN, heating rate of 50 ℃ / min and holding temperature of 5min. With the increase of Ti content, the density of Ni3Al / Ti composites decreases, the coefficient of thermal expansion decreases, the thermal conductivity decreases and the elastic modulus increases.

By using ANSYS to fit the thermal stress distribution of the gradient material at a thermal field of 800 ° C and a force field of 3.2 kN, we can select the corresponding position of the thermal stress minimum in the thermal stress distribution along the thickness direction Gradient material is designed for the location of the gradient material interface.

Key Words：Ti；Ni₃Al；Functional graded materals；finite element analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 功能梯度材料的概述 1

1.1.1功能梯度材料的简介 1

1.1.2 功能梯度材料的制备 1

1.1.3 FGM的梯度设计与性能分析 1

1.1.4 FGM的应用 2

1.2 Ti基功能梯度材料的简介 2

1.3 有限元分析法在FGM设计中的应用 3

1.4 研究的主要内容 3

1.5 本文的创新点 4

第2章 不同配比的Ni₃Al/Ti复合材料的研究 5

2.1 实验 5

2.1.1 实验原料 5

2.1.2 实验仪器 5

2.1.3 实验步骤 5

2.2 结果与讨论 5

2.2.1 不同Ti含量Ni₃Al/Ti复合材料的密度 6

2.2.2 不同Ti含量Ni3Al/Ti复合材料的XRD物相分析 6

2.2.3 不同Ti含量Ni₃Al/Ti复合材料的SEM形貌分析以及EDS面扫描分析 7

2.2.4 不同Ti含量Ni₃Al/Ti复合材料的热学性能 12

2.2.5 不同Ti含量Ni₃Al/Ti复合材料的力学性能 14

2.3 小结 15

第3章 对Ni3Al/Ti梯度材料进行ANSYS拟合 16

3.1 建立物理模型 16

3.2 输入材料参数以及定义边界条件 16

3.3 网格划分 17

3.4 数值模拟以及分析 17

3.5 小结 18

第4章 总结 19

4.1 结论 19

4.2 展望 19

参考文献 20

致谢 22

绪论

1.1 功能梯度材料的概述

1.1.1功能梯度材料的简介

随着科学技术的发展，现代工业对材料更多的需求导致对其性能的更多要求，所以对新材料的研究与开发十分重要。世界各国的研究人员在传统材料的研究基础之上，从理论上提出了许多新材料概念，并且在实践过程中制备出满足特殊性能要求的新材料^[1-4]。十九世纪八十年代日本材料学家新野正之等为了解决用于航空飞机飞行器、发动机温差较大而需要耐热保护的问题提出了功能梯度材料（Functionally Graded Materials，简称FGM）的概念^[5-7]。功能梯度材料是一种结构和组分在厚度方向连续变化的一类非均质复合材料，因为材料的组分在空间上连续变化，所以它的性能也会随着变化。由于梯度材料的这种特殊的材料结构设计，热应力被极大的减小，界面结合强度被加强，降低了裂纹扩展的动力，而且具有陶瓷的耐高温、高强度的性能，还能克服金属与陶瓷热膨胀系数不一致的缺点，使功能梯度材料有很大的发展前景。

1.1.2 功能梯度材料的制备

功能梯度材料的性能不仅由体系和内部结构的设计决定，而且合适的制备技术也十分重要。目前国内外梯度材料的制备方法主要有自蔓延高温合成法、气相沉积法、粉末冶金法等。

自蔓延高温合成法是利用材料本身的剧烈放热反应维持引发的化学反应和自发的烧结，材料在高温中烧结致密从而制备出功能梯度材料。这种方法工艺简单，成本低，但是使用条件苛刻，必须是剧烈的放热反应才能够使用，并且制备出的样品并不致密，需要二次烧结。