原位金属基复合材料扩散动力学与反应热力学的研究

摘要

基于多元合金熔体热力学活度理论，并结合Darken方程，Onsager互易关系和硬球理论，本文建立了二元和三元液态合金扩散系数的预测和计算模型，并进行了验证。该模型的优点在于仅仅依靠合金元素本身的物理参数即可获得热力学因子和自扩散系数，进一步可以得到几乎所有二元和三元液态合金的扩散系数。 应用上述预测模型分别系统分析了原位自生合成TiB2/Al复合材料和AlN/Mg复合材料的反应热力学和扩散动力学，并深入讨论了合金元素对有效增强相析出机制的影响规律。 在原位自生TiB2/Al复合材料体系中，结果表明：合金元素如Cu, Fe, Mg, V, Ni, La和Zr抑制Ti的扩散，而合金元素Si则促进了Ti的扩散；合金元素Mg, Si和Cu的添加促进了B原子的扩散，而合金元素Fe, V, Ni, La和Zr抑制了B的扩散。结合TiB2/Al复合材料的热力学，可以得出以下结论：(1) Si的作用最为特殊，从热力学上看，Si对TiB2的形成几乎没有影响；但从动力学上来看，Si对促进Ti和B的扩散的影响较大。(2) 适量的热力学促进元素和适量的动力学元素匹配才能形成有效增强相TiB2，即不但要考虑相图而且要考虑动力学因素才能形成有效增强相TiB2。 在原位自生AlN/Mg复合材料体系中，结合反应热力学和扩散动力学，可以得出以下结论：合金元素Si, Zn和Cu的添加可以从动力学和热力学上促进AlN的生成；适量的热力学促进元素和适量的动力学元素匹配才能形成有效增强相AlN，即不但要考虑相图而且要考虑动力学因素才能形成有效增强相AlN。