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基本信息
- 項目名稱：
- 電場輔助激活鈦基耐磨材料的制備
- 小類：
- 能源化工
- 簡介：
- 陶瓷具有獨特的抗氧化性、耐磨損、耐腐蝕、高強度、高硬度和優(yōu)異的高溫力學(xué)性能等優(yōu)點，但其塑性差,冷加工困難,不易制成大型或形狀復(fù)雜的構(gòu)件；鈦具有重量輕、比強度高、耐金屬疲勞、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但其質(zhì)軟，不耐磨，加工條件復(fù)雜。如果將陶瓷同金屬接合在一起，就可以使產(chǎn)品既有陶瓷的長處，又有金屬的優(yōu)點。
- 詳細介紹：
- 陶瓷材料具有金屬無法比擬的一些特性,如：高強度、耐熱、耐腐蝕、耐磨損、輕比強度等，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)和科技領(lǐng)域中,顯示了廣闊的應(yīng)用前景。但由于陶瓷材料本身質(zhì)脆的特性,大大限制了其應(yīng)用。因此，實現(xiàn)陶瓷與其他異種材料的有效連接必將進一步擴大陶瓷的應(yīng)用范圍,尤其在航空航天領(lǐng)域。然而，由于陶瓷和金屬是兩類性質(zhì)不同的材料,相互結(jié)合時在界面上存在著化學(xué)及物理性能的差異,用傳統(tǒng)工藝進行連接時存在很多問題：如，釬焊存在的主要問題是陶瓷與普通金屬釬料潤濕性差。 與傳統(tǒng)工藝相比，電場激活壓力輔助燃燒合成（FAPAS）技術(shù)是利用電場引發(fā)粉末燃燒的反應(yīng)，具有升溫速度快，燒結(jié)溫度低[2]，有利于形成細晶組織或非晶組織，能有效抑制顆粒長大的優(yōu)點。本文采用FAPAS技術(shù)結(jié)合原位反應(yīng)的方法，以TiAl金屬間化合物為中間層對TiB2-TiC-Ni金屬陶瓷與Ti板進行了連接試驗，研究了TiB2-TiC-Ni/TiAl/Ti功能梯度材料的界面微結(jié)構(gòu)特征和連接性能。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 提出高溫、快速、節(jié)能和實用的功能梯度材料擴散焊接技術(shù)方案。①功能陶瓷材料（TiC，TiB等）與金屬Ti的梯度連接分設(shè)計及其前軀體材料機械合金化的工藝參數(shù)設(shè)計；②解決異種材料連接時性能的失配以及界面處產(chǎn)生的應(yīng)力等問題。研究方法及試驗路線①按摩爾比對分體進行混合配比；②用高能球磨機將粉末進行機械化合金；③粉料冷壓成坯;④利用FAPAS真空爐進行燃燒合成；⑤微觀組織分析及力學(xué)性能表征；4）得出結(jié)論。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- （1）實現(xiàn)陶瓷-金屬低溫、快速和高效節(jié)能的連接技術(shù)---電場激活壓力輔助燃燒合成法（FAPAS)。 （2）對促進梯度功能陶瓷材料的制備、應(yīng)用和特殊材料的連接方法具有重要的科學(xué)意義。 （3）本研究在金屬Ti表面熔覆一層TiB2-TiC復(fù)合陶瓷，可充分改善金屬Ti的耐磨、耐熱、耐腐蝕性能，達到保護金屬基體的目的。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 采用一定梯度復(fù)合技術(shù)制備的鈦-鈦鋁-陶瓷，使材料既具有金屬的優(yōu)良性能，又具有陶瓷的良好的耐熱、隔熱、高強及高溫抗氧化性，同時由于中間成分的連續(xù)變化，消除了材料中的宏觀界面，整體材料表現(xiàn)出良好的熱應(yīng)力緩和特性，使之能在超高溫、大溫差、高速熱流沖擊等苛刻環(huán)境條件下使用，可望用做新一代航天飛機的機身、燃燒室內(nèi)壁等以及渦輪發(fā)動機、高效燃氣輪機等提供超高溫耐熱材料。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 采用電場激活壓力輔助合成技術(shù)（FAPAS）并結(jié)合原位反應(yīng)的方法制備TiB2-TiC- Ni/TiAl/Ti功能梯度材料,研究了TiB2-TiC-Ni/TiAl/Ti功能梯度材料的界面微結(jié)構(gòu)特征及其結(jié)合強度。利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜分析儀分析了梯度材料界面的微觀組織和元素分布，并采用微機控制電子萬能材料試驗機和顯微硬度儀分析試樣的抗剪切強度和顯微硬度。研究表明制備的TiB2-TiC-Ni/TiAl/Ti功能梯度材料組織致密，TiB2-TiC復(fù)合陶瓷晶粒細小且均勻分布；各層界面區(qū)形成了良好的擴散冶金結(jié)合，連接區(qū)剪切強度達85.878MPa。顯微硬度由鈦板到陶瓷層呈梯度變化，表層最大顯微硬度達2760HV。
獲獎情況
- 2010年10月,作品《梯度陶瓷與金屬的燃燒反應(yīng)擴散連接》參加了首屆“全國大學(xué)生焊接創(chuàng)新大賽”，榮獲三等獎
鑒定結(jié)果
- 本作品具有獨創(chuàng)性，推薦申報
參考文獻
- [1] 孟慶森, 辛立軍, 陳少平, Munir Z A.電場激活燃燒合成( TiB2 ) P Ni/ Ni3Al/ Ni功能梯度材料[J].復(fù)合材料學(xué) 報,2009,1(26):80-85 [2] 果世駒.粉末燒結(jié)理論[M] . 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2007. [3] 張幸紅,朱春城.自蔓延高溫合成法制備TiB2-TiC復(fù)合陶瓷[J].材料工程,2002, 2: 13-15 [4] 方洪淵，馮吉才.材料連接過程中的界面行為[M]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2005 [5] 劉詠,黃伯云,賀躍輝,等.元素粉末冶金方法制備TiAl基合金[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程,1999,4(3):189 [6] 喬亞霞.電場加壓輔助燃燒合成技術(shù)及電場的作用研究[J].江蘇陶瓷，2002，35（2）：8-11
同類課題研究水平概述
- 近幾年對燃燒合成的研究集中于新材料合成、燃燒合成機理研究、燃燒動力學(xué)計算以及對現(xiàn)有方法進行改進用于特殊領(lǐng)域材料的合成，如納米材料、生物材料、燃料電池和超導(dǎo)材料等。 目前，國內(nèi)高校與科研院所對采用電場激活和壓力輔助燃燒合成技術(shù)合成高熔點、多組分復(fù)合材料和功能梯度材料研究比較少，總的來說還處于初級階段，合成的復(fù)合材料和功能梯度材料還有很多不完善的地方，比如:制備工藝不成熟、合成材料致密性差、抗熱應(yīng)力差等問題。 目前存在的主要問題是:(l)對于異種材料間在電場下的擴散連接過程的認識及界面結(jié)合機理的研究還處于發(fā)展和探討階段，認識尚不一致;(2)工藝過程也不太成熟，如對工藝參數(shù)、對材料性能要求等仍處于探索階段。
