多物理場耦合條件下金屬與陶瓷(金屬)的擴散連接界面結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)特性研究.pdf

1、本文將機械合金化和自蔓延高溫合成技術(shù)相結(jié)合提出了電場激活壓力輔助燃燒合成技術(shù)(Field activated pressure assisted synthesis，F(xiàn)APAS)。通過FAPAS工藝分別制備了(TiC-TiB2)/Ni-TiAl-Metal復(fù)合材料和(AlMgB14-TiB2)-Metal復(fù)合材料。復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)是決定合成材料力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，為了研究異種材料的界面擴散情況，進行了異種金屬材料Ti-Ni和鎂合金AZ

2、31B-Cu的擴散連接實驗。通過OM(光學(xué)顯微鏡)，SEM(掃描電子顯微鏡)，TEM(投射電子顯微鏡)，XRD(X射線衍射儀)，維氏硬度計和萬能材料試驗機重點研究了在多物理場作用下（溫度場、電場和應(yīng)力場）復(fù)合材料的界面微觀結(jié)構(gòu)和擴散動力學(xué)問題，并分析了不同物理場參數(shù)對復(fù)合材料界面微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。
　　 利用B4C粉、Ti粉和Ni粉原位合成了(TiC-TiB2)/Ni復(fù)合陶瓷，合成的陶瓷層結(jié)構(gòu)均勻細密，TiB2與Ti

3、C細小顆粒均勻地分布在Ni基體中。通過Al、Ti粉體反應(yīng)形成金屬間化合物放熱的同時實現(xiàn)了復(fù)合陶瓷(TiC-TiB2)/Ni與Ti、Ta金屬基板的連接，結(jié)合界面擴散充分，組織致密。研究發(fā)現(xiàn)電流和壓力是影響(TiC-TiB2)/Ni復(fù)合陶瓷晶粒大小的主要物理參數(shù)。電流能夠提高復(fù)合陶瓷燒結(jié)過程中的形核率，機械壓力能夠促進陶瓷顆粒在燒結(jié)過程中的破碎和重排，因此隨電流和輔助壓力的增大，復(fù)合陶瓷的晶粒變得均勻致密。對(TiC-TiB2)/Ni復(fù)合陶

4、瓷的摩擦學(xué)行為進行了系統(tǒng)研究，分析了陶瓷相含量、摩擦載荷、摩擦溫度和摩擦速度對復(fù)合陶瓷摩擦學(xué)行為的影響，研究結(jié)果表明摩擦系數(shù)隨溫度，載荷和速度的增加而變小，磨損率隨溫度的升高而降低，隨載荷和速度的提高而增大。在高溫摩擦過程中摩擦表面形成了TiO2、B2O3和Fe2O3潤滑薄膜，薄膜量隨摩擦溫度，載荷和速度的增大而增多，在高溫環(huán)境中(TiC-TiB2)/Ni復(fù)合陶瓷的摩擦機制主要由界面氧化反應(yīng)所決定。磨損實驗表明含陶瓷相(TiC-TiB2

5、)為80％的復(fù)合陶瓷具有較好的摩擦磨損性能。
　　 采用上述實驗方法，通過FAPAS技術(shù)利用B、Mg、Al和TiB2粉體合成了超硬材料AlMgB14-TiB2并同步實現(xiàn)了與金屬基板Mo和Nb的連接。研究發(fā)現(xiàn)B元素在材料合成和連接過程中有比較顯著的擴散特點，形成了界面硬度從金屬基體到AlMgB14-TiB2層呈遞增的特征。AlMgB14-TiB2表層的硬度最高達到了3801HV1.0，連接界面硬度在2000HV1.0左右。

6、　　 FAPAS實驗條件下連接界面金屬間化合物的形成機制和力學(xué)性能的研究對提高陶瓷-金屬異質(zhì)材料連接和復(fù)合材料制備工藝具有理論意義。FAPAS條件下Ti-Ni的擴散界面按時間依次生成了TiNi3、Ti2Ni和TiNi。TiNi3、Ti2Ni和TiNi金屬間化合物的厚度隨實驗溫度的升高和擴散時間的增長而增加，厚度隨時間的增長符合拋物線規(guī)律，其中溫度場對TiNi形成的影響較大。剪切實驗表明所形成金屬間化合物的抗剪切強度排序為TiNi＞Ti

7、2Ni＞TiNi3，斷裂形式為脆性沿晶斷裂，斷裂位置與中間生成物的厚度存在一定的對應(yīng)關(guān)系。
　　 FAPAS條件下鎂合金AZ31B-Cu的擴散連接表明界面擴散層主要由Cu2Mg和Mg2Cu組成。溫度是影響AZ31B-Cu擴散的主要參數(shù)，元素Al在高溫下具有較高的擴散能力，進而能夠影響界面生成相的種類和寬度。元素Al主要通過形成MgAlCu化合物的形式影響界面的微觀組織結(jié)構(gòu)?？傊?，異種金屬的擴散實驗研究表明，電流可以顯著降低擴散激