多物理場(chǎng)耦合條件下金屬與陶瓷(金屬)的擴(kuò)散連接界面結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)特性研究.pdf

1、本文將機(jī)械合金化和自蔓延高溫合成技術(shù)相結(jié)合提出了電場(chǎng)激活壓力輔助燃燒合成技術(shù)(Field activated pressure assisted synthesis，F(xiàn)APAS)。通過(guò)FAPAS工藝分別制備了(TiC-TiB2)/Ni-TiAl-Metal復(fù)合材料和(AlMgB14-TiB2)-Metal復(fù)合材料。復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)是決定合成材料力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，為了研究異種材料的界面擴(kuò)散情況，進(jìn)行了異種金屬材料Ti-Ni和鎂合金AZ

2、31B-Cu的擴(kuò)散連接實(shí)驗(yàn)。通過(guò)OM(光學(xué)顯微鏡)，SEM(掃描電子顯微鏡)，TEM(投射電子顯微鏡)，XRD(X射線衍射儀)，維氏硬度計(jì)和萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)重點(diǎn)研究了在多物理場(chǎng)作用下（溫度場(chǎng)、電場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)）復(fù)合材料的界面微觀結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，并分析了不同物理場(chǎng)參數(shù)對(duì)復(fù)合材料界面微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。
　　 利用B4C粉、Ti粉和Ni粉原位合成了(TiC-TiB2)/Ni復(fù)合陶瓷，合成的陶瓷層結(jié)構(gòu)均勻細(xì)密，TiB2與Ti

3、C細(xì)小顆粒均勻地分布在Ni基體中。通過(guò)Al、Ti粉體反應(yīng)形成金屬間化合物放熱的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合陶瓷(TiC-TiB2)/Ni與Ti、Ta金屬基板的連接，結(jié)合界面擴(kuò)散充分，組織致密。研究發(fā)現(xiàn)電流和壓力是影響(TiC-TiB2)/Ni復(fù)合陶瓷晶粒大小的主要物理參數(shù)。電流能夠提高復(fù)合陶瓷燒結(jié)過(guò)程中的形核率，機(jī)械壓力能夠促進(jìn)陶瓷顆粒在燒結(jié)過(guò)程中的破碎和重排，因此隨電流和輔助壓力的增大，復(fù)合陶瓷的晶粒變得均勻致密。對(duì)(TiC-TiB2)/Ni復(fù)合陶

4、瓷的摩擦學(xué)行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了陶瓷相含量、摩擦載荷、摩擦溫度和摩擦速度對(duì)復(fù)合陶瓷摩擦學(xué)行為的影響，研究結(jié)果表明摩擦系數(shù)隨溫度，載荷和速度的增加而變小，磨損率隨溫度的升高而降低，隨載荷和速度的提高而增大。在高溫摩擦過(guò)程中摩擦表面形成了TiO2、B2O3和Fe2O3潤(rùn)滑薄膜，薄膜量隨摩擦溫度，載荷和速度的增大而增多，在高溫環(huán)境中(TiC-TiB2)/Ni復(fù)合陶瓷的摩擦機(jī)制主要由界面氧化反應(yīng)所決定。磨損實(shí)驗(yàn)表明含陶瓷相(TiC-TiB2

5、)為80％的復(fù)合陶瓷具有較好的摩擦磨損性能。
　　 采用上述實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)FAPAS技術(shù)利用B、Mg、Al和TiB2粉體合成了超硬材料AlMgB14-TiB2并同步實(shí)現(xiàn)了與金屬基板Mo和Nb的連接。研究發(fā)現(xiàn)B元素在材料合成和連接過(guò)程中有比較顯著的擴(kuò)散特點(diǎn)，形成了界面硬度從金屬基體到AlMgB14-TiB2層呈遞增的特征。AlMgB14-TiB2表層的硬度最高達(dá)到了3801HV1.0，連接界面硬度在2000HV1.0左右。

6、　　 FAPAS實(shí)驗(yàn)條件下連接界面金屬間化合物的形成機(jī)制和力學(xué)性能的研究對(duì)提高陶瓷-金屬異質(zhì)材料連接和復(fù)合材料制備工藝具有理論意義。FAPAS條件下Ti-Ni的擴(kuò)散界面按時(shí)間依次生成了TiNi3、Ti2Ni和TiNi。TiNi3、Ti2Ni和TiNi金屬間化合物的厚度隨實(shí)驗(yàn)溫度的升高和擴(kuò)散時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，厚度隨時(shí)間的增長(zhǎng)符合拋物線規(guī)律，其中溫度場(chǎng)對(duì)TiNi形成的影響較大。剪切實(shí)驗(yàn)表明所形成金屬間化合物的抗剪切強(qiáng)度排序?yàn)門iNi＞Ti

7、2Ni＞TiNi3，斷裂形式為脆性沿晶斷裂，斷裂位置與中間生成物的厚度存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　 FAPAS條件下鎂合金AZ31B-Cu的擴(kuò)散連接表明界面擴(kuò)散層主要由Cu2Mg和Mg2Cu組成。溫度是影響AZ31B-Cu擴(kuò)散的主要參數(shù)，元素Al在高溫下具有較高的擴(kuò)散能力，進(jìn)而能夠影響界面生成相的種類和寬度。元素Al主要通過(guò)形成MgAlCu化合物的形式影響界面的微觀組織結(jié)構(gòu)。總之，異種金屬的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)研究表明，電流可以顯著降低擴(kuò)散激