电场激活压力辅助燃烧合成技术制备功能梯度材料的组织与性能研究

摘要

本文采用电场(直流)激活压力辅助燃烧合成法(FAPACS)技术制备了Ti-C-Ni和Ti-B4C-Ni体系梯度功能材料(FGMs)。传统的燃烧合成技术(CS)具有节省能源、合成速度快和产品纯度高等特点，被广泛地应用于金属－陶瓷复合材料的制备，但是，该技术在制备某些复合材料方面存在反应不完全、多孔和缺陷多等缺点。而在外加电场和压力的共同作用下，利用FAPACS技术所制备出的材料致密性得以提高，电场产生的焦耳热和质量传输效应可以克服CS反应的热力学局限性，合成高致密度的功能材料。该材料可被广泛应用于航空、航天和机械等领域。
　　 本文以Ti-C-Ni和Ti-B4C-Ni反应体系为研究对象。首先通过计算体系吉布斯自由能从理论上分析燃烧合成过程中梯度功能材料各层自持反应的可能性，为随后的试验确定理论依据。研究结果表明，为使Tad≥1800K，需要对Ti-Al体系以及含Ni量为50[％]的复合陶瓷层进行预热处理500℃。
　　 利用扫描电子显微镜、光学显微镜、X射线衍射仪等设备对梯度功能材料各层的界面形貌，物相组成及界面元素分布进行了测试分析。利用显微硬度计、磨损试验机和三点弯曲试验机分析了合成材料的力学性能。分析测试结果表明：在压力作用下，材料组织均匀致密；电场的施加以及TiAl的燃烧反应是合成材料的关键；经原位合成的复合陶瓷层颗粒均匀细小；梯度功能材料的陶瓷复合层、TiAl层及Ti基板层界面均形成了成分的互扩散，冶金结合良好；梯度材料的硬度值和韧性呈梯度变化。表层复合陶瓷层的KIC理论计算平均值约为3.6MPa·m；表层复合陶瓷具有较高的抗磨性，其磨损量约为高速钢的13[％]。
　　 电场作用下的Ti-TiAl板的扩散连接研究结果表明，压力、电流及扩散时间对接头性能影响显著。当焊接电流到达1200A时，接头三点弯曲强度达到353MPa；压力保持40MPa对Ti-Al粉与Ti进行电场作用下的反应扩散连接时，界面扩散溶解层明显分为Ti(ss.Al)和(Ti3Al+TiAl)两区，且扩散溶解层宽度以及力学性能都随电流和作用时间的增加而增大。