多物理场耦合条件下金属与陶瓷(金属)的扩散连接界面结构特征及力学特性研究

摘要

本文将机械合金化和自蔓延高温合成技术相结合提出了电场激活压力辅助燃烧合成技术(Field activated pressure assisted synthesis，FAPAS)。通过FAPAS工艺分别制备了(TiC-TiB2)/Ni-TiAl-Metal复合材料和(AlMgB14-TiB2)-Metal复合材料。复合材料的界面结构是决定合成材料力学性能的关键因素，为了研究异种材料的界面扩散情况，进行了异种金属材料Ti-Ni和镁合金AZ31B-Cu的扩散连接实验。通过OM(光学显微镜)，SEM(扫描电子显微镜)，TEM(投射电子显微镜)，XRD(X射线衍射仪)，维氏硬度计和万能材料试验机重点研究了在多物理场作用下（温度场、电场和应力场）复合材料的界面微观结构和扩散动力学问题，并分析了不同物理场参数对复合材料界面微观组织结构和力学性能的影响。
　　 利用B4C粉、Ti粉和Ni粉原位合成了(TiC-TiB2)/Ni复合陶瓷，合成的陶瓷层结构均匀细密，TiB2与TiC细小颗粒均匀地分布在Ni基体中。通过Al、Ti粉体反应形成金属间化合物放热的同时实现了复合陶瓷(TiC-TiB2)/Ni与Ti、Ta金属基板的连接，结合界面扩散充分，组织致密。研究发现电流和压力是影响(TiC-TiB2)/Ni复合陶瓷晶粒大小的主要物理参数。电流能够提高复合陶瓷烧结过程中的形核率，机械压力能够促进陶瓷颗粒在烧结过程中的破碎和重排，因此随电流和辅助压力的增大，复合陶瓷的晶粒变得均匀致密。对(TiC-TiB2)/Ni复合陶瓷的摩擦学行为进行了系统研究，分析了陶瓷相含量、摩擦载荷、摩擦温度和摩擦速度对复合陶瓷摩擦学行为的影响，研究结果表明摩擦系数随温度，载荷和速度的增加而变小，磨损率随温度的升高而降低，随载荷和速度的提高而增大。在高温摩擦过程中摩擦表面形成了TiO2、B2O3和Fe2O3润滑薄膜，薄膜量随摩擦温度，载荷和速度的增大而增多，在高温环境中(TiC-TiB2)/Ni复合陶瓷的摩擦机制主要由界面氧化反应所决定。磨损实验表明含陶瓷相(TiC-TiB2)为80％的复合陶瓷具有较好的摩擦磨损性能。
　　 采用上述实验方法，通过FAPAS技术利用B、Mg、Al和TiB2粉体合成了超硬材料AlMgB14-TiB2并同步实现了与金属基板Mo和Nb的连接。研究发现B元素在材料合成和连接过程中有比较显著的扩散特点，形成了界面硬度从金属基体到AlMgB14-TiB2层呈递增的特征。AlMgB14-TiB2表层的硬度最高达到了3801HV1.0，连接界面硬度在2000HV1.0左右。
　　 FAPAS实验条件下连接界面金属间化合物的形成机制和力学性能的研究对提高陶瓷-金属异质材料连接和复合材料制备工艺具有理论意义。FAPAS条件下Ti-Ni的扩散界面按时间依次生成了TiNi3、Ti2Ni和TiNi。TiNi3、Ti2Ni和TiNi金属间化合物的厚度随实验温度的升高和扩散时间的增长而增加，厚度随时间的增长符合抛物线规律，其中温度场对TiNi形成的影响较大。剪切实验表明所形成金属间化合物的抗剪切强度排序为TiNi＞Ti2Ni＞TiNi3，断裂形式为脆性沿晶断裂，断裂位置与中间生成物的厚度存在一定的对应关系。
　　 FAPAS条件下镁合金AZ31B-Cu的扩散连接表明界面扩散层主要由Cu2Mg和Mg2Cu组成。温度是影响AZ31B-Cu扩散的主要参数，元素Al在高温下具有较高的扩散能力，进而能够影响界面生成相的种类和宽度。元素Al主要通过形成MgAlCu化合物的形式影响界面的微观组织结构。总之，异种金属的扩散实验研究表明，电流可以显著降低扩散激活能，促进界面反应。
　　 通过异种金属电场激活扩散连接实验，提出了“微区界面扩散相图”的概念。界面扩散相图是两种材料在界面微区发生局部扩散反应时界而新相的生成规律，微区界面扩散相图的提出有助于深入了解和揭示外加物理场条件下异种材料的连接冶金学规律。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 特种陶瓷

1．1．1 TiC-TiB2复合陶瓷

1．1．2 AlMgB14超硬材料

1．1．3 陶瓷材料的制备方法

1．2 电流对材料合成过程的影响

1．3 金属与陶瓷的连接

1．3．1 扩散连接

1．3．2 钎焊

1．3．3 自蔓延高温合成连接

1．4 异种金属的扩散界面研究进展

1．5 选题意义及研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 研究内容

参考文献

第二章 实验方法及材料

2．1 实验方法

2．1．1 机械合金化

2．1．2 电场激活压力辅助燃烧合成

2．2 实验设备

2．2．1 真空高温压力焊接炉

2．2．2 高能球磨机

2．3 实验材料

2．3．1 粉体材料

2．3．2 金属材料

2．4 样品性能测试与表征

2．4．1 微观结构分析

2．4．2 高温磨损实验

参考文献

第三章 FAPAS条件下陶瓷-金属复合材料的合成及其性能研究

3．1 (TiC-TiB2)／Ni-TiAl-Ti复合材料的制备

3．1．1 实验材料和工艺参数

3．1．2 (TiC-TiB2)／Ni-TiAl-Ti复合材料的显微组织

3．1．3 压力对复合陶瓷(TiC-TiB2)／Ni组织的影响

3．1．4 力学性能

3．2(TiC—TiB2)／Ni-TiAl-Ta复合材料的制备

3．2．1 电流为1300A时的连接形虢

3．2．2 电流为1500A时的连接形貌

3．3 AlMgB14超硬材料与金属材料的连接

3．3．1 AlMgB14-TiB2与金属Nb的连接

3．3．2 AlMgB14-TiB2与金属Mo的连接

3．4 磨损实验

3．4．1 成分对磨损性能的影响

3．4．2 摩擦温度对磨损性能的影响

3．4．3 摩擦载荷对磨损性能的影响

3．4．4 摩擦速度对磨损性能的影响

3．4．5 讨论

本章小结

参考文献

第四章 FAPAS条件下Ti-Ni扩散连接界面结构特征研究

4．1 Ti-Ni反应过程的热力学计算

4．2 实验工艺参数

4．3 扩散参数对连接过程的影响

4．3．1 温度对界面扩散的影晌

4．3．2 电流对界面扩散的影响

4．3．3 压力对扩散过程的影响

4．3．4 时间对扩散过程的影响

4．3．5 电场方向对扩散过程的影响

4．4 力学性能测试

本章小结

参考文献

第五章 FAPAS条件下镁合金-铜扩散连接界面结构及其力学性能分析

5．1 Mg-Cu反应过程的热力学计算

5．2 实验材料和实验方法

5．3 时间对连接过程的影响

5．4 电流对连接过程的影响

5．5 温度对连接过程的影响

5．5．1 475℃时的界面结构

5．5．2 500℃时的界面结构

5．6 电场方向的影响

5．7 Cu与AZ91D镁合金的扩散界面研究

5．8 力学性能测试

本章小结

参考文献

第六章 电流对异质材料扩散连接过程的影响机理分析

6．1 电流的扩散作用机理

6．1．1 反应扩散的动力学分析

6．1．2 Ti-Ni的扩散动力学分析

6．2 微区扩散界面相图

6．3 电流在复合陶瓷(TiC-TiB2)／Ni合成中的作用

6．3．1 电流对复合陶瓷微观组织的影响

6．3．2 复合陶瓷(TiC-TiB2)／Ni的烧结成型机理

本章小结

参考文献

第七章 结论

致谢

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