反应合成NI-Al合金及NiAl/(TiC-TiB2)复合材料的研究

摘要

金属间化合物材料是近些年来国际材料界研究的热点，以金属间化合物为基体的合金或复合材料属于一种全新的材料。Ni-Al金属间化合物由于具有高熔点，低密度，较好的热传导性以及良好的抗氧化性能和抗酸碱腐蚀等性能，使其成为一类很有应用前景的高温结构材料。TiC-TiB2复相陶瓷具有高熔点、高硬度、高导热、低膨胀系数、高耐磨性及良好的导电性，可用于高温过滤材料，两者复合是用于汽车尾气处理、污水处理、石油、化工、能源领域的废气处理和催化剂载体等的理想材料之一。
　　本文采用自蔓延高温合成工艺，利用Ni-Al、Ni-Al-Ti-B4C及Ni-Al-TiC-TiB2体系的放热反应，制备Ni-Al系金属间化合物及TiC-TiB2复相陶瓷增强NiAl基复合材料。研究了反应物的物相组成、孔结构、组织形貌、性能及成孔机理和组织结构转变机理。主要的研究结果如下:
　　(1)热爆反应合成Ni-Al金属间化合物。当Ni∶Al=1∶1(at.％)时，反应生成物为单一的NiAl相，形态为技晶状;当Ni、Al原子比为2∶1时，生成物物相组成为NiAl+Ni3Al相，因为非平衡冷却，NiAl相析出量少，主要沿初生NiAl晶界分布。当Ni∶Al=3∶1（at.％)时，生成物组织形态复杂，主要由枝晶状β-NiAl、粗大块状和网状γ-Ni3Al、不规则的块状或者尖条状γ'-Ni3Al、板条状和针片状M-NiAl组成，有时尖条状γ'-Ni3Al串成一条中脊分布于β-NiAl晶粒内部，在中脊端部放射出大量针片状M-NiAl。因为γ'-Ni3Al在β-NiAl晶粒内部析出造成的应力场、NiAl中富含大量Ni及非平衡冷却，有利于β-NiAl转变成位错和孪晶M-NiAl。
　　(2)在NiAl中添加不同含量的3Ti+B4C原位合成NiAl/(TiC-TiB2)复合材料。反应产物主要由NiAl、TiC、TiB2三相组成。纯NiAl的组织形态主要是一些等轴晶，大约为38～48μm。添加3Ti+B4C后，复合材料中NiAl晶粒明显细化，硬度提高。TiC、TiB2主要分布在NiAl晶界，少量分布在晶内，分布相对均匀，随添加3Ti+B4C含量的增加，TiB2、TiC颗粒由形状不规则的细小的颗粒转变为规则的六棱柱状、长方体状和类球形形状，两者分别由Ti分别与B4C分解出的B和C原子结合而形成的。反应产物的孔结构主要是通孔+闭孔结构，B4C颗粒的分解与消耗，在其位置形成闭孔。通孔的形成主要是因为初始压坯中存在一些间隙孔，在反应过程中间隙孔发生迁移及合并及气体的溢出。随3Ti+B4C含量的增加，产物致密度提高，即孔隙率降低，抗压强度先增加后逐渐减小，但整体呈现下降的趋势。
　　(3)在NiAl中添加不同含量的成品TiC+2TiB2合成NiAl/(TiC-TiB2)复合材料，物相也是由NiAl、TiC、TiB2三相组成。添加增强相后NiAl晶粒也明显细化，硬度有所提高。TiC、TiB2主要分布在NiAl晶界，TiC、TiB2不参与反应，随添加量的增加，反应放热量逐渐降低，NiAl熔体量也相对减少，NiAl相在长大的过程中，增强相颗粒会被推挤到NiAl晶粒的晶角或晶界处，极少量的增强相颗粒位于NiAl晶粒的内部，增强相颗粒的分布存在偏聚现象。通过孔结构观察，主要由通孔组成，通孔结构主要是Ni、Al反应形成。随加入的(TiC+2TiB2)含量的增加，孔结构变得疏松，导致孔隙率增加，抗压强度呈现逐渐减小的趋势。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 自蔓延高温合成技术

1．3 Ni-Al金属间化合物的研究

1．4 NiAl／陶瓷复合材料的研究

1．5 本文的主要研究内容

2 实验条件及方法

2．1 实验原料

2．2 实验设备

2．3 实验技术路线及实验步骤

2．4 实验方案

2．5 样品表征及性能检测分析检测

3 热爆合成Ni-Al金属间化合物

3．1 不同Ni：Al配比对反应合成产物物相及组织结构的影响

3．2 孔洞对热爆合成Ni3Al组织结构的影响

3．3 本章小结

4 SHS制备NiAl／(TiC-TiB2)复合材料的研究

4．1 不同反应体系合成NiAl／(TiC-TiB2)复合材料的物相分析

4．2 不同反应体系合成NiAl／(TiC-TiB2)复合材料的孔洞形貌分析

4．3 不同反应体系合成NiAl／(TiC-TiB2)复合材料的组织结构分析

4．4 反应合成NiAl／(TiC-TiB2)复合材料的性能测试

4．5 本章小结

5 SHS合成NiAl／(TiC-TiB2)复合材料的孔结构及组织结构形成机理研究

5．1 不同反应体系合成NiAl／(TiC-TiB2)复合材料的孔结构形成机理

5．2 不同体系合成NiAl／(TiC-TiB2)复合材料的组织结构形成过程分析

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 下一步的工作展望

致谢

参考文献

附录