電場激活壓力輔助燃燒合成技術(shù)制備功能梯度材料的組織與性能研究.pdf

1、本文采用電場(直流)激活壓力輔助燃燒合成法(FAPACS)技術(shù)制備了Ti-C-Ni和Ti-B4C-Ni體系梯度功能材料(FGMs)。傳統(tǒng)的燃燒合成技術(shù)(CS)具有節(jié)省能源、合成速度快和產(chǎn)品純度高等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于金屬－陶瓷復(fù)合材料的制備，但是，該技術(shù)在制備某些復(fù)合材料方面存在反應(yīng)不完全、多孔和缺陷多等缺點(diǎn)。而在外加電場和壓力的共同作用下，利用FAPACS技術(shù)所制備出的材料致密性得以提高，電場產(chǎn)生的焦耳熱和質(zhì)量傳輸效應(yīng)可以克服CS反應(yīng)

2、的熱力學(xué)局限性，合成高致密度的功能材料。該材料可被廣泛應(yīng)用于航空、航天和機(jī)械等領(lǐng)域。
　　 本文以Ti-C-Ni和Ti-B4C-Ni反應(yīng)體系為研究對象。首先通過計(jì)算體系吉布斯自由能從理論上分析燃燒合成過程中梯度功能材料各層自持反應(yīng)的可能性，為隨后的試驗(yàn)確定理論依據(jù)。研究結(jié)果表明，為使Tad≥1800K，需要對Ti-Al體系以及含Ni量為50[％]的復(fù)合陶瓷層進(jìn)行預(yù)熱處理500℃。
　　 利用掃描電子顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、X

3、射線衍射儀等設(shè)備對梯度功能材料各層的界面形貌，物相組成及界面元素分布進(jìn)行了測試分析。利用顯微硬度計(jì)、磨損試驗(yàn)機(jī)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)分析了合成材料的力學(xué)性能。分析測試結(jié)果表明：在壓力作用下，材料組織均勻致密；電場的施加以及TiAl的燃燒反應(yīng)是合成材料的關(guān)鍵；經(jīng)原位合成的復(fù)合陶瓷層顆粒均勻細(xì)??；梯度功能材料的陶瓷復(fù)合層、TiAl層及Ti基板層界面均形成了成分的互擴(kuò)散，冶金結(jié)合良好；梯度材料的硬度值和韌性呈梯度變化。表層復(fù)合陶瓷層的KIC理論計(jì)算

4、平均值約為3.6MPa·m；表層復(fù)合陶瓷具有較高的抗磨性，其磨損量約為高速鋼的13[％]。
　　 電場作用下的Ti-TiAl板的擴(kuò)散連接研究結(jié)果表明，壓力、電流及擴(kuò)散時(shí)間對接頭性能影響顯著。當(dāng)焊接電流到達(dá)1200A時(shí)，接頭三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)到353MPa；壓力保持40MPa對Ti-Al粉與Ti進(jìn)行電場作用下的反應(yīng)擴(kuò)散連接時(shí)，界面擴(kuò)散溶解層明顯分為Ti(ss.Al)和(Ti3Al+TiAl)兩區(qū)，且擴(kuò)散溶解層寬度以及力學(xué)性能都隨電流和