梯度金屬陶瓷與金屬電場輔助擴(kuò)散連接的機(jī)理及界面性能研究.pdf

1、電場激活和壓力輔助燃燒合成技術(shù)(Field Activated and Pressure Assisted Synthesis，F(xiàn)APAS)是在多物理場(電場、機(jī)械場、溫度場、化學(xué)場)耦合條件下的新材料合成新技術(shù)，具有溫度高、升溫速度快、高效和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為耐高溫納米塊體材料合成的關(guān)鍵技術(shù)之一。將機(jī)械合金化(Mechanical alloying，MA)與FAPAS工藝用于一步法完成陶瓷的原位合成及其與金屬的擴(kuò)散連接，為異種材料的

2、固相連接開辟了新途徑。
　　 本研究采用MA-FAPAS工藝，借助中間層Ni3Al和TiAl的燃燒反應(yīng)放熱，一步完成(TiB2)pNi/Ni3Al/Ni、(TiC)pNi/TiAl/Ti和(TiB2-TiC)pNi/TiAl/Ti連接結(jié)構(gòu)的梯度金屬陶瓷層的合成以及各層之間的擴(kuò)散連接。研究了不同放熱體系、溫度和電場強(qiáng)度等物理參數(shù)對材料燃燒合成過程和擴(kuò)散連接界面形成機(jī)制的影響。利用最小Gibbs自由能原理對各反應(yīng)體系的熱力學(xué)特征進(jìn)行

3、計(jì)算；利用SEM、FE-SEM、TEM、EDS和XRD等手段對各層及連接界面的微觀結(jié)構(gòu)和相組成以及電場作用下各連接界面元素擴(kuò)散特征進(jìn)行分析；利用Thomas-Fermi方程對外加電場作用下異種材料連接界面擴(kuò)散原子物態(tài)的變化進(jìn)行計(jì)算分析；采用顯微硬度壓痕法和磨料磨損試驗(yàn)對合成梯度金屬陶瓷層的斷裂韌性和表明耐磨性進(jìn)行分析；采用三點(diǎn)彎曲法、剪切法和冷淬法表征各連接界面結(jié)構(gòu)特征對連接強(qiáng)度和抗熱震性能的影響；利用ANSYS有限元數(shù)值模擬法分析各界

4、面的應(yīng)力應(yīng)變和等效殘余應(yīng)力分布特征。
　　 研究認(rèn)為，Ni-Al、Ti-Al、Ni-Ti-C和Ni-Ti-B4C不同反應(yīng)體系的Tad和ΔG均隨T0的增加而上升，在相應(yīng)T0時具有獲得目標(biāo)產(chǎn)物的可行性。燃燒合成Ni3Al、TiAl和50wt[％]TiC-Ni的T0分別不低于600K、450K和600K，其余反應(yīng)體系均可不進(jìn)行預(yù)熱；在對反應(yīng)體系施加電場的條件下，對應(yīng)的T0可以進(jìn)一步降低。
　　 梯度金屬陶瓷微觀組織分析表明，合

5、成的(TiB2)Pni、(TiC)pNi和(TiC-TiB2)pNi金屬陶瓷均反應(yīng)充分、組織致密且層間沒有明顯分界。以化學(xué)計(jì)量比混合的中間層Ni-Al粉體和Ti-Al粉體在燃燒合成中發(fā)生充分反應(yīng)，分別形成細(xì)小均勻的單相Ni3Al等軸晶和TiAl等軸晶，并分別與梯度金屬陶瓷層和金屬層之間結(jié)合良好，連接界面處存在強(qiáng)烈的元素交互擴(kuò)散，成分濃度呈梯度分布。
　　 連接界面擴(kuò)散動力學(xué)分析認(rèn)為，溫度、電流和通電時間是影響各層間擴(kuò)散連接界面形

6、貌和結(jié)構(gòu)的主要因素。隨通電電流和時間的增大，Ni3Al/Ni和TiAl/Ti的擴(kuò)散連接界面均變寬，且擴(kuò)散層寬度的平方根與電流平方和時間的乘積呈線性關(guān)系。在外加電場和溫度場耦合作用下，界面原子擴(kuò)散由以晶格擴(kuò)散機(jī)制為主轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑娣磻?yīng)機(jī)制，最后為晶界擴(kuò)散機(jī)制。增大電流和延長通電時間均會提高連接界面元素擴(kuò)散系數(shù)并降低擴(kuò)散激活能。
　　 外加電場對TiAl/Ti連接界面處Ti-Al交互擴(kuò)散的影響大于對Ni3Al/Ni連接界面處Ni-Al交

7、互擴(kuò)散的影響，電場方向?qū)i/TiAl/Ti連接結(jié)構(gòu)的界面擴(kuò)散動力學(xué)的影響存在差異性。外加電場作用下原子能量變化的計(jì)算分析認(rèn)為，原子動能隨著電流的升高而增大，外加電場通過增加擴(kuò)散原子的動能促進(jìn)原子擴(kuò)散。
　　 力學(xué)性能分析結(jié)果表明，合成的三種金屬陶瓷具有較高的硬度、表面耐磨性能和斷裂韌性；三種結(jié)構(gòu)的連接界面均具有較強(qiáng)的抗剝離性能和抗剪切強(qiáng)度，(TiC)Pni/TiAl/Ti連接結(jié)構(gòu)的最大剪切強(qiáng)度為70.98MPa，(TiC)Pn