Al(Cr)O—Cr(Mo)金属陶瓷的燃烧合成与性能

摘要

本文研究了理想的热力学假设条件下，稀释剂(Al2O3、Cr2O3)和高放热反应体系(Al-CrO3、Al-MoO3)对Al-Cr2O3体系燃烧合成反应T0与Tad关系的影响。热力学计算结果表明，可以通过添加Al2O3、Cr2O3稀释剂和高放热Al-CrO3和Al-MoO3反应体系组元到Al-Cr2O3反应体系中，在不影响燃烧合成自我维持判据(Tad≥1800K)的前提下，达到在较大范围内改变产物成分，调节燃烧温度(T0、Tad)，从而实现改善产物微观组织和性能的目的。在此基础上研究了添加剂(Al2O3、Cr2O3稀释剂，Al-CrO3、Al-MoO3高放热反应组元和某聚合物)对Al-Cr2O3体系燃烧合成反应的影响，以及不同添加剂在自蔓延与热爆两种反应模式下的作用。 在热爆模式下研究了加热速率、预制块相对致密度等工艺参数对燃烧合成反应过程的影响。较大的加热速率使得反应过于激烈，较慢的加热速率则使反应困难。预制块相对致密度低会导致热爆反应无法进行。选用聚合物为反应活化剂，添加一定量的稀释剂，采用热爆+热压的工艺制得了相对致密度在90％以上、具有一定形状和尺寸的金属陶瓷试样。致密化研究发现，对高温反应产物施加压力可以有效地提高产物的相对致密度，制得一定形状的成形件，为解决高硬度金属陶瓷难加工的问题提供了思路。 运用X射线衍射、扫描电镜、能谱分析和金相显微镜等对燃烧合成产物进行物相分析和组织形貌观察。结果表明，燃烧合成产物中的陶瓷相为以Al2O3为主的，固溶度不同的(Al，Cr)2O3固溶体；除了少数大颗粒的金属相外，组织中的金属相细小弥散地分布于陶瓷基体中，并存在纳米尺寸的金属颗粒。陶瓷相具有三种形态：边界较圆整的块状，细小的、按一定的取向交叉排列的长条状以及粗大的长条状。金属相多以颗粒状分布在陶瓷晶体内或晶界处，或者与陶瓷相形成共晶组织。共晶体呈准规则的结构，棒状的金属相细小、弥散地分布在连续的陶瓷基体中。共晶体的分布具有区域性。基于对反应过程和微观组织的研究，提出了Al-Cr2O3体系的反应微观模型。 最后，对燃烧合成产物进行了性能测试，包括显微硬度、抗磨损性能和高温抗氧化性，并与文献报道的某些材料作了比较。试验结果表明，利用燃烧合成+热压法制得的Al(Cr)2O3-Cr金属陶瓷的抗磨损性能优于热压烧结的氧化铝基陶瓷材料。本试验条件下制得的Al(Cr)2O3-Cr金属陶瓷的氧化增重遵循抛物线规律，是受扩散机制控制的。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2氧化铝基金属陶瓷

1.2.1氧化铝陶瓷的性能与应用

1.2.2金属相的增韧机理

1.2.3金属相的性能与选择

1.2.4氧化铝基金属陶瓷的性能

1.2.5氧化铝基金属陶瓷的应用

1.3燃烧合成法制备金属陶瓷

1.3.1燃烧合成法简介

1.3.2燃烧合成法的特点与应用

1.3.3燃烧合成法在金属陶瓷制备上的应用

1.4选题意义

1.5研究内容与技术方案

第二章燃烧合成反应的热力学计算与分析

2.1反应体系的热力学计算

2.1.1热力学计算原理

2.1.2热力学计算的程序实现

2.2不同成分配比下T0与Tad的关系

2.2.1稀释剂对Al-Cr2O3体系的影响

2.2.2高放热反应体系对Al-Cr2O3体系的影响

2.3热力学计算对本实验的指导意义

2.4本章小结

第三章两种反应模式下原料配比对燃烧合成反应的影响

3.1不同反应模式下的试样制备方法

3.1.1自蔓延模式燃烧合成

3.1.2热爆模式燃烧合成

3.2自蔓延模式下原料配比对燃烧合成反应的影响

3.2.1稀释剂Al2O3、Cr2O3对Al-Cr2O3体系自蔓延燃烧合成过程的影响

3.2.2聚合物对Al-Cr2O3体系自蔓延燃烧合成过程的影响

3.2.3高放热Al-MoO3体系对Al-Cr2O3体系自蔓延燃烧合成过程的影响

3.3热爆模式下原料配比对燃烧合成反应的影响

3.3.1稀释剂对Al-Cr2O3体系热爆模式燃烧合成反应的影响

3.3.2高放热反应体系Al-MoO3、Al-CrO3对Al-Cr2O3体系热爆燃烧合成过程的影响

3.3.3聚合物对Al-Cr2O3体系热爆燃烧合成过程的影响

3.4两种反应模式的比较

3.4.1两种反应模式着火方式的分析、比较

3.4.2稀释剂在两种反应模式中的作用比较

3.4.3高放热反应体系Al-CrO3及Al-MoO3在两种反应模式中的作用比较

3.4.4聚合物在两种反应模式中的作用比较

3.5本章小结

第四章工艺参数对热爆燃烧合成反应的影响与产物的致密化

4.1工艺参数对热爆燃烧合成反应的影响

4.1.1加热速率对热爆燃烧合成反应的影响

4.1.2预制块的相对致密度对热爆燃烧合成反应的影响

4.1.3其它工艺参数对热爆燃烧合成反应的影响

4.2产物的致密化

4.3本章小结

第五章燃烧合成金属陶瓷的微观组织特征与分析

5.1试验条件与分析方法

5.2产物各组元的晶格结构与平衡相图

5.3 XRD相分析

5.4产物中各相的成分分布

5.5产物的微观组织特征

5.5.1陶瓷相与金属相的形态

5.5.2共晶组织与特征分析

5.5.3不同原料配比下的微观组织特征

5.6 Al-Cr2O3体系的反应模型与组织演变机制探讨

5.7本章小结

第六章燃烧合成金属陶瓷的性能

6.1显微硬度

6.1.1试验方法

6.1.2结果与讨论

6.2抗磨损性能

6.2.1试验方法

6.2.2结果与讨论

6.3高温抗氧化性能

6.4本章小结

第七章结论

参考文献

致谢

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