電場(chǎng)激活壓力輔助燃燒合成TiB2-TiC-Ni金屬陶瓷及其與Ti的連接性.pdf

1、本文采用電場(chǎng)激活壓力輔助燃燒合成(Field-Actirated andPrcssure-Asslsted combustion Synthesis,FAPACS)技術(shù)，以Ti-B4C-Ni反應(yīng)體系通過(guò)原位合成的方法制備TiB2-TiC-Ni金屬陶瓷，并利用添加TiA1金屬間化臺(tái)物中間層的方法，同步實(shí)現(xiàn)TiB2-TiC-Ni金屬陶瓷與金屬Ti的冶金擴(kuò)散連接。電場(chǎng)激活壓力輔助燃燒合成技術(shù)是在特有的電場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等多種場(chǎng)的耦合作用下快

2、速實(shí)現(xiàn)各種材料的合成，是一種快速、節(jié)能、環(huán)保的材料制備加工技術(shù)。與普通熱壓和熱等靜壓工藝相比，F(xiàn)APACS具有低能高效、強(qiáng)活化、燒結(jié)體致密度高、參數(shù)控制精確、可燒結(jié)材料體系廣泛等一系列優(yōu)點(diǎn)，從而在新材料的合成領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展。
　　 本文以Ti-Al和Ti-B4C-Ni反應(yīng)體系為研究對(duì)象，對(duì)各種不同比例的粉體進(jìn)行機(jī)械合金化，分析了機(jī)械合金化過(guò)程中粉體的變化規(guī)律以及合成機(jī)理，并對(duì)未添加Ni粘結(jié)劑和添加Ni粘結(jié)劑時(shí)，Ti與B4C

3、的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了對(duì)比分析。隨后對(duì)利用不同成分配比和不同工藝參數(shù)制備的TiB2-TiC-Ni金屬陶瓷的顯微組織、顯微硬度、耐磨性、致密度和斷裂韌性進(jìn)行了測(cè)試，探討了TiB2-TiC亞共晶陶瓷的凝固機(jī)理。最后，利用FAPACS技術(shù)同步實(shí)現(xiàn)TiB2-TiC-Ni金屬陶瓷的合成和與金屬Ti的連接，并對(duì)連接接頭的組織及性能進(jìn)行了測(cè)試分析，研究了在不同焊接電流和壓力大小對(duì)Ti／TiAI／TiB2-TiC-Ni連接接頭界面組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的影響。<

4、br>　　 研究結(jié)果表明：機(jī)械臺(tái)金化明顯可以細(xì)化粉末，并合成少量的產(chǎn)物相，如Ti19A16和TiAl3相、TiB2和TiC相等，并對(duì)后續(xù)的反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生重要影響。利用FAPACS技術(shù)合成的TiB2-TiC-Ni金屬陶瓷的組織均勻致密，TiB2晶粒呈深色棒狀和六邊形狀，而TiC晶粒則呈淺灰色不規(guī)則的多邊形狀，構(gòu)成比例約為2:1，TiB2和TiC晶粒交錯(cuò)排列，分布于白色的N1基體上。
　　 FAPACS制備的TiB2-Tic-Ni金

5、屬陶瓷最大顯微硬度達(dá)2760HV，耐磨性明顯優(yōu)于利用熱壓法制各的陶瓷試樣的耐磨性，約為2倍；比耐磨鋼和W18Cr4V合金鋼的耐磨性高一個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著金屬陶瓷中的Ni含量的減少和合成電流的增加，耐磨性明顯提高，當(dāng)合成電流為1500A，成分配比為75％(Ti+B4C)+25％Ni，載荷為15N時(shí)，磨損量?jī)H為1.2000mg。通過(guò)FAPACS燒結(jié)所得到的試樣密度和斷裂韌性明顯高于熱壓燒結(jié)所得到的試樣密度與斷裂韌性，當(dāng)Ni含量達(dá)到50％時(shí)，Ti

6、B2-Tic復(fù)合陶瓷具有最大的密度，達(dá)到5.9379／cm3：當(dāng)合成電流為1400A，外加壓力為60MPa，成分配比為75％(2TiB2-TiC)+25％Ni的金屬陶瓷的斷裂韌性達(dá)10.82 Mpa·m1/2。
　　 添加Ni粘結(jié)劑改變了Ti與B4C的反應(yīng)機(jī)理，并對(duì)TiB2-TiC復(fù)合陶瓷的凝固行為產(chǎn)生影響。在FAPACS過(guò)程中，66.7％molTiB2-TiC表現(xiàn)出亞共晶組織所特有的亞共晶生長(zhǎng)形態(tài)，先共晶相TiB2和次生相Ti

7、C交錯(cuò)的分布在白色的Ni基體上。在TiB2和TiC晶界處產(chǎn)生了細(xì)小的納米級(jí)的共晶(TiB2+TiC)組織。
　　 對(duì)利用FAPACS技術(shù)同步實(shí)現(xiàn)TiB2-TiC-Ni金屬陶瓷的合成和與金屬Ti的連接接頭的組織及性能分析測(cè)試表明：以TiA1金屬間化合物為中間層實(shí)現(xiàn)的梯度金屬陶瓷與金屬Ti的連接試樣整體連接呈梯度分布，并結(jié)合緊密。TiB2-TiC-Ni與TiAI金屬間化舍物，TiAI金屬間化合物與Ti之間的連接界面均結(jié)合良好，界面結(jié)

8、合為冶金結(jié)合，形成寬度分別約為25μm和100μm的擴(kuò)散溶解層。Ti／TiAl／TiB2-TiC-Ni連接接頭的硬度呈梯度分布，表層陶瓷層的最大顯微硬度值為2760HV。不同焊接電流和壓力大小對(duì)Ti／TiAI／TiB2-TiC-Ni連接接頭界面的剪切性能影響很大，當(dāng)電流1400A，壓力30MPa時(shí)，Ti／TiAl／TiB2-TiC-Ni連接接頭的抗剪切性能比較穩(wěn)定，約為55MPa左右；當(dāng)電流1500A，壓力60MPa時(shí)，最大剪切強(qiáng)度達(dá)8