梯度金屬陶瓷與金屬電場輔助擴散連接的機理及界面性能研究.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，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散連接。研究了不同放熱體系、溫度和電場強度等物理參數(shù)對材料燃燒合成過程和擴散連接界面形成機制的影響。利用最小Gibbs自由能原理對各反應(yīng)體系的熱力學(xué)特征進行

3、計算；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散特征進行分析；利用Thomas-Fermi方程對外加電場作用下異種材料連接界面擴散原子物態(tài)的變化進行計算分析；采用顯微硬度壓痕法和磨料磨損試驗對合成梯度金屬陶瓷層的斷裂韌性和表明耐磨性進行分析；采用三點彎曲法、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，連接界面處存在強烈的元素交互擴散，成分濃度呈梯度分布。
　　 連接界面擴散動力學(xué)分析認為，溫度、電流和通電時間是影響各層間擴散連接界面形

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的擴散連接界面均變寬，且擴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，界面原子擴散由以晶格擴散機制為主轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑娣磻?yīng)機制，最后為晶界擴散機制。增大電流和延長通電時間均會提高連接界面元素擴散系數(shù)并降低擴散激活能。
　　 外加電場對TiAl/Ti連接界面處Ti-Al交互擴散的影響大于對Ni3Al/Ni連接界面處Ni-Al交

7、互擴散的影響，電場方向?qū)i/TiAl/Ti連接結(jié)構(gòu)的界面擴散動力學(xué)的影響存在差異性。外加電場作用下原子能量變化的計算分析認為，原子動能隨著電流的升高而增大，外加電場通過增加擴散原子的動能促進原子擴散。
　　 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的抗剝離性能和抗剪切強度，(TiC)Pni/TiAl/Ti連接結(jié)構(gòu)的最大剪切強度為70.98MPa，(TiC)Pn