SiC/Fe-Al金属间化合物界面固相反应的研究

摘要

SiC作为一种典型的先进高温结构陶瓷材料，Fe-Al金属间化合物(Fe3Al、FeAl)具有比普通陶瓷材料高的韧性、可靠性及可加工性能，SiC增强Fe-Al金属间化合物基复合材料及SiC/Fe-Al金属间化合物高温复合构件在航空航天等领域具有广阔的应用前景。因此，研究SiC材料与Fe-Al金属间化合物间的界面固相反应不仅具有重要的科学意义，而且具有大的工程应用价值。至今，国内外还没有系统关于SiC/Fe-Al界面固相反应研究的报道。本文着重对SiC/Fe-Al界面固相反应产物的组成与反应区结构、反应动力学及反应的微观机制等基础性问题开展研究，为SiC增强Fe-Al金属间化合物基复合材料及SiC/Fe-Al金属间化合物高温复合构件的研究开发奠定基础。 本文针对SiC/Fe-Al平面界面反应偶，研究其在不同热处理温度、时间下的热处理界面固相反应过程。利用扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDS)、x射线衍射仪(XRD)等分析仪器研究了不同热处理状态下SiC/Fe-Al界面固相反应层的形貌、微结构及相组成等，研究了热处理工艺参数对反应过程的影响；最后，对热处理过程中反应层成长的动力学过程进行了探讨，建立了SiC/Fe3Al界面固相反应模型。 SiC/Fe3Al界面固相反应区由Fe3Si、石墨态C和Fe-Si-Al三元化合物(FeSiAl5及FeSi3Al9)构成。1050℃×10h热处理后，SiC/Fe3Al界面固相反应明显，呈现典型的层状固相反应特征，形成平均厚度约为128μm的反应区。界面固相反应区由调整的C沉积物区(C-MPZ)和均匀的C沉积物区(R-CPZ)(从SiC侧至Fe3Al侧)构成。调整的C沉积物区的形成归因于SiC的不连续分解。由于在1000℃以下SiC/Fe3Al反应偶界面固相反应极其微弱，SiC/Fe3Al界面具有良好的化学稳定性。 经1050℃×20h热处理的SiC/FeAl间大约形成几微米厚度的反应区，与相同热处理条件下的SiC/Fe3Al界面固相反应相比，前者的反应强度要低得多。因为，在SiC/Fe-Al体系中，Al组元含量越高，Fe-Al的反应活度越低，对该反应的抑制作用越强，反应区厚度越小。 建立了SiC/Fe3Al界面固相反应的模型，并探讨了反应区生长的动力学特征。结果表明，SiC/Fe3Al界面固相反应遵守抛物线型反应动力学，为一个扩散控制的反应过程，反应动力学方程为： K=1.6×10-4exp(-217×103/RT)，m2/sFe在反应区中的扩散是SiC/Fe3Al界面固相反应的速率控制步骤。

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论文说明：图表目录

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第一章绪论

1.1引言

1.2 SiC材料及其应用

1.2.1 SiC陶瓷的结构与性能

1.2.2 SiC粉末的合成方法

1.2.3 SiC陶瓷材料的制备技术

1.2.4 SiC材料的应用举例

1.3 Fe-Al金属间化合物及其应用

1.3.1 Fe-Al金属间化合物的结构

1.3.2 Fe-Al金属间化合物的性能

1.3.3 Fe-Al金属间化合物的制备工艺及性能研究

1.3.4 Fe-Al金属间化合物的应用

1.4本论文的研究目的、主要内容及技术路线

1.4.1本论文的研究目的

1.4.2本论文的研究内容

1.4.3研究的技术路线

第二章金属间化合物与陶瓷的界面固相反应

2.1金属间化合物/陶瓷复合材料

2.2金属间化合物/陶瓷复合材料界面

2.2.1界面的结构与反应机理研究

2.2.2界面固相反应的研究方法

2.2.3分析测试方法

2.3 SiC/金属界面固相反应与控制

2.4几种类型的陶瓷/金属间化合物界面固相反应

2.4.1 Al2O3/NiAl及Al2O3/Ni3Al复合材料

2.4.2 Al2O3/FeAl及Al2O3/Al复合材料

2.4.3 TiC/NiAl、TiC/Ni3Al和TiC/FeAl复合材料

2.4.4 WC/FeAl复合材料

2.4.5 SiC/Ti-Al金属间化合物间的界面固相反应过程

2.4.6 SiC/Ni-Al金属间化合物间的界面固相反应过程

2.4.7 SiC/Fe-Al金属间化合物间的界面固相反应过程

第三章实验方案及过程

3.1实验材料的选择

3.2实验仪器

3.3实验方案

3.4 SiC/Fe-Al反应偶的准备

3.5热处理

3.6分析测试

第四章SiC/Fe-Al界面固相反应区结构与反应热力学

4.1概述

4.2 SiC/Fe-Al界面固相反应研究现状与展望

4.3 Fe-Si二元相图与Fe的硅化物

4.4 SiC/Fe3Al界面固相反应区的组成与结构

4.4.1反应区的显微结构

4.4.2反应区的相组成与成分分布

4.4.3 SiC/Fe3Al反应偶在较低温度下的界面状况

4.5 SiC/Fe3Al界面固相反应热力学

4.6 SiC/Fe3Al界面固相反应的机理分析及固相反应模型

4.7 SiC/FeAl界面固相反应

第五章SiC/Fe-Al界面固相反应动力学

5.1概述

5.2反应动力学计算模型

5.3待定参数的确定

5.4反应动力学方程的确立

5.5与SiC/Fe界面固相反应动力学参数的比较

5.5.1 SiC/Fe界面固相反应动力学方程

5.5.2 SiC/Fe3Al界面固相反应速率较小的原因

第六章结论

参考文献

致谢

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