BC-Al体系润湿性及BC陶瓷切割技术研究

摘要

碳化硼陶瓷具有许多优良性能，如密度小、硬度高以及中子吸收能力强，因此有良好的应用前景，然而高脆性制约了它在工业上的应用，而碳化硼基复合材料能有效解决这个问题。碳化硼－铝复合材料结合了碳化硼硬度高和铝韧性好的优点，因此性能更优。碳化硼－铝复合材料的制备通常采用浸渗法，而首先要解决的是一个关键问题是两者间较差的润湿性。
　　 本论文采用座滴法研究了纯Al及Al合金在B4C陶瓷上的润湿，利用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDX）和X射线衍射等方法分析了B4C/Al的界面特性。实验表明，两者的润湿角与温度有关。在熔点附近Al不能润湿碳化硼，接触角比较大，到1000℃时才开始润湿，接触角为90°。当温度升至1200℃和1300℃，接触角分别降为40°和 20°。
　　 Ti能有效改善B4C和Al的润湿性，与纯Al相比，Al-Ti合金在1200℃和1300℃能形成0°的接触角。SEM和 XRD 分析结果显示在Al和 B4C的润湿界面上有一过渡层，该层存在界面反应，主要有AlB12C2，TiB2和TiC生成，正是Ti与B4C的界面反应放出大量的热使体系的润湿性得到改善。
　　 阻碍碳化硼工程应用的另一个因素是难加工性。本论文把激光技术应用于其加工领域，研究出一种新型加工方法，并取得了一定进展。本文设计出两种有效的方法对碳化硼陶瓷进行切割。在实验基础上分析了各参数对加工质量的影响，采用扫描电镜（SEM）对各种激光切割工艺的断口进行分析，提出了激光加工碳化硼陶瓷的自行断裂机理。
　　 实验结果表明，激光能够用来加工碳化硼陶瓷厚板。激光功率与材料厚度以及切割速度成正比。材料越厚、切割速度越大，则需要的激光功率越大。提高功率和减小光斑直径能提升激光的切割能力和切口质量。厚度为5.5mm的碳化硼板，YAG激光功率达到130w，激光束沿同一位置重复走刀两次即可切断，最高切割速度可达120mm/min。厚度10.1mm的陶瓷板则需要170w的功率，切割速度为100mm/min。激光切割技术更为优越的一点是断口中无微裂纹。
　　 激光直接切断样品的断裂机制：1）开始阶段，样品边缘的拉伸应力引起了裂纹；2）裂纹稳定的扩展阶段，在激光点附近强大的压应力造成蠕变，激光束经过以后，压应力缓解，而后材料收缩从而引发拉伸应力，使裂纹从板的上表面向下表面扩展；3）最后阶段是不稳定断裂，裂纹尖端的应力是一个穿透厚度方向的拉伸应力，使裂纹不稳定延伸，没有断裂的区域迅速分开。