Ti-Al系熔体与陶瓷的润湿性及界面相互作用的行为研究

摘要

随着航天航空技术的快速发展，传统的高温合金材料由于密度高、有限的工作环境温度等问题无法满足特殊使用条件下的要求，有必要发展密度低，性能好的新型高温材料。Ti-Al系合金作为新一代的高温结构材料，具有密度小、强度高、熔点高、蠕变性好等其他高温合金不可替代的优越性能，已经成为未来取代Ni基合金的首选材料。但Ti-Al系合金室温塑性差、高温强度不足、低的抗氧化性依然是限制其广泛应用和发展的主要因素。陶瓷增强金属基复合材料正是综合了金属和陶瓷之间的性能优点，通过成分设计、工艺参数调整等方面的优化，充分改善基体缺陷，实现综合性能的提升，已经成为目前航天航空、汽车、军事领域中重要新型材料。
　　在液态法制备金属基复合材料过程中，保证金属和陶瓷之间良好的润湿性是实现该工艺的必要条件。基体与增强体之间的界面作为重要的微结构，其形成过程和结构、性能直接决定复合材料的最终性能。复合材料中的界面行为始终是复合材料发展和应用中最为重要的热点科学问题。因此，深入研究增强体与基体之间的润湿性、界面的形成过程、界面的结合性等，将对复合材料设计、合成、加工以及焊接等工艺提供必要的理论数据参数。本文采用改进的滴落法系统研究了Ti-Al系熔体与三种陶瓷增强体之间的润湿性及界面特性，并采用第一性原理方法研究了三种体系界面之间的键合特性、界面结合方式、界面稳定性、电子作用等关键信息，主要研究结果如下：
　　Ti-Al系合金与TiC0.78的润湿性属于典型的反应性润湿体系。从稳态表观接触角看，当Al含量介于40wt.％-80wt.%时，稳态表观接触角都小于10°，且对成分依赖性不大。界面产物的种类取决于熔体中 C活度以及环境气氛。结合第一性原理计算表明γ-TiAl(110)/TiC(001)体系界面存在明显的原子相互作用。界面产物的形成归结于TiC(001)中的C原子首先和TiAl(110)中的Al原子结合，再和Ti原子的结合。界面处存在 Al-C共价键、Ti-C共价键和 Ti-Al金属键等多种键合作用。Ti-Al/TiC体系润湿性的改善主要取决于界面处化学键的作用，界面Al-C之间作用是提高润湿性、增强界面结合力的关键作用。
　　Ti-Al系熔体与TiN0.87基板上的稳态表观接触角均小于20°，并随着Al含量的增加轻微减小。界面处存在少量的AlN对Ti-Al/TiN体系之间的界面结合性有一定作用，但控制体系润湿性的主要因素是熔体中 Ti在界面处的吸附作用。γ-TiAl(110)/TiN(100)界面处存在电子的交换与重新排列，但界面相互作用现象不如γ-TiAl(110)/TiC(001)体系明显。主要是TiN(100)中的N原子和TiAl(110)中的Al原子之间存在电荷转移，并成局域化特征，是强化界面结合性的关键键合作用。但对比弛豫前后界面理想粘附功数值可以发现该共价键作用对润湿性改善作用并不十分明显，表现为表观接触角减小的程度相对缓慢，与实验相吻合。
　　Ti-Al/VN体系初始表观接触角对成分依赖性较大，当 Al成分介于40wt.%至80wt.%时，初始表观接触角为95°-120°，提高合金中Al含量并不能改善其润湿性。该体系为明显的溶解驱动润湿体系，基板中V的溶解对润湿的驱动效果并不显著。溶解的驱动力来自 V元素在熔体与基板中的化学势差和在熔体中较大的溶解度。溶解反应与三相线的移动同步进行，但对表观接触角的作用只体现在初期。后期V元素溶解造成熔体性质改变以及三相线处析出固相造成熔体凝固。γ-TiAl(110)与VN(100)体系和γ-TiAl(110)/TiN(100)体系规律相近。界面处存在Al-N共价键、Al-V共价/金属键和Ti-V共价键的共同作用，但润湿性的改善主要依靠Al-N之间的作用。
　　第一性原理计算的三个体系中具有共同点，体系的润湿性与界面不同的原子堆垛位置有关，其归结于界面原子之间的成键作用。γ-TiAl(110)中的Al原子位于陶瓷中的非金属原子C或N原子端位时所在的界面结构为稳定结构，且界面结合强度最大，此时表观接触角最小。γ-TiAl(110)与 TiC(001)、TiN(100)、VN(100)最稳定界面的理想粘附功Wad分别是2.233 J/m2、1.899 J/m2和1.903J/m2。该结果与润湿实验结果相对应。γ-TiAl(110)/TiC(001)体系高的界面结合性归结于TiC(001)相对高的表面能和成键的趋势更强，使其润湿性最好。与Al-N极性共价键相比，Al-C共价键对界面结合力的贡献更大。γ-TiAl(110)/VN(100)和γ-TiAl(110)/TiN(100)界面强度与润湿性相当。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 Ti-Al系合金及其复合材料

1.2 陶瓷增强体性质

1.3 复合材料的界面性质及其表征

1.4 Ti-Al系合金与陶瓷界面行为研究现状

1.5 研究背景及意义

1.6 研究内容及目的

2 实验及模拟研究方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 实验方案

2.4 样品表征

2.5 第一性原理简介

3 Ti-Al系合金基础性质研究

3.1 引言

3.2 密度

3.3 表面张力

3.4 本章小结

4 Ti-Al/TiC体系润湿性及界面特征研究

4.1 引言

4.2 润湿行为

4.3 界面微观结构

4.4 润湿机制及界面热力学

4.5 体系粘附功

4.6γ-TiAl/TiC界面第一性原理计算

4.7 本章小结

5 Ti-Al/TiN体系润湿性及界面特征研究

5.1 引言

5.2 润湿行为

5.3 界面微观结构

5.4 界面热力学及润湿机理

5.5γ-TiAl/TiN体系第一性原理计算

5.6 本章小结

6 Ti-Al/VN体系润湿性及界面特征研究

6.1 引言

6.2 润湿行为

6.3 界面微观结构

6.4 润湿机制

6.5 界面热力学

6.5 γ-TiAl/VN体系第一性原理计算

6.6 本章小结

7 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目

C. 作者在攻读学位期间参加的学术活动

D. 作者在攻读学位期间获奖情况