基本信息
- 项目名称：
- 电场辅助激活钛基耐磨材料的制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 陶瓷具有独特的抗氧化性、耐磨损、耐腐蚀、高强度、高硬度和优异的高温力学性能等优点，但其塑性差,冷加工困难,不易制成大型或形状复杂的构件；钛具有重量轻、比强度高、耐金属疲劳、化学性能稳定等优点，但其质软，不耐磨，加工条件复杂。如果将陶瓷同金属接合在一起，就可以使产品既有陶瓷的长处，又有金属的优点。
- 详细介绍：
- 陶瓷材料具有金属无法比拟的一些特性,如：高强度、耐热、耐腐蚀、耐磨损、轻比强度等，广泛应用于现代工业和科技领域中,显示了广阔的应用前景。但由于陶瓷材料本身质脆的特性,大大限制了其应用。因此，实现陶瓷与其他异种材料的有效连接必将进一步扩大陶瓷的应用范围,尤其在航空航天领域。然而，由于陶瓷和金属是两类性质不同的材料,相互结合时在界面上存在着化学及物理性能的差异,用传统工艺进行连接时存在很多问题：如，钎焊存在的主要问题是陶瓷与普通金属钎料润湿性差。 与传统工艺相比，电场激活压力辅助燃烧合成（FAPAS）技术是利用电场引发粉末燃烧的反应，具有升温速度快，烧结温度低[2]，有利于形成细晶组织或非晶组织，能有效抑制颗粒长大的优点。本文采用FAPAS技术结合原位反应的方法，以TiAl金属间化合物为中间层对TiB2-TiC-Ni金属陶瓷与Ti板进行了连接试验，研究了TiB2-TiC-Ni/TiAl/Ti功能梯度材料的界面微结构特征和连接性能。
作品图片
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 提出高温、快速、节能和实用的功能梯度材料扩散焊接技术方案。①功能陶瓷材料（TiC，TiB等）与金属Ti的梯度连接分设计及其前躯体材料机械合金化的工艺参数设计；②解决异种材料连接时性能的失配以及界面处产生的应力等问题。研究方法及试验路线①按摩尔比对分体进行混合配比；②用高能球磨机将粉末进行机械化合金；③粉料冷压成坯;④利用FAPAS真空炉进行燃烧合成；⑤微观组织分析及力学性能表征；4）得出结论。
科学性、先进性及独特之处
- （1）实现陶瓷-金属低温、快速和高效节能的连接技术---电场激活压力辅助燃烧合成法（FAPAS)。 （2）对促进梯度功能陶瓷材料的制备、应用和特殊材料的连接方法具有重要的科学意义。 （3）本研究在金属Ti表面熔覆一层TiB2-TiC复合陶瓷，可充分改善金属Ti的耐磨、耐热、耐腐蚀性能，达到保护金属基体的目的。
应用价值和现实意义
- 采用一定梯度复合技术制备的钛-钛铝-陶瓷，使材料既具有金属的优良性能，又具有陶瓷的良好的耐热、隔热、高强及高温抗氧化性，同时由于中间成分的连续变化，消除了材料中的宏观界面，整体材料表现出良好的热应力缓和特性，使之能在超高温、大温差、高速热流冲击等苛刻环境条件下使用，可望用做新一代航天飞机的机身、燃烧室内壁等以及涡轮发动机、高效燃气轮机等提供超高温耐热材料。
学术论文摘要
- 采用电场激活压力辅助合成技术（FAPAS）并结合原位反应的方法制备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结构特征及其结合强度。利用光学显微镜、扫描电子显微镜和能谱分析仪分析了梯度材料界面的微观组织和元素分布，并采用微机控制电子万能材料试验机和显微硬度仪分析试样的抗剪切强度和显微硬度。研究表明制备的TiB2-TiC-Ni/TiAl/Ti功能梯度材料组织致密，TiB2-TiC复合陶瓷晶粒细小且均匀分布；各层界面区形成了良好的扩散冶金结合，连接区剪切强度达85.878MPa。显微硬度由钛板到陶瓷层呈梯度变化，表层最大显微硬度达2760HV。
获奖情况
- 2010年10月,作品《梯度陶瓷与金属的燃烧反应扩散连接》参加了首届“全国大学生焊接创新大赛”，荣获三等奖
鉴定结果
- 本作品具有独创性，推荐申报
参考文献
- [1] 孟庆森, 辛立军, 陈少平, Munir Z A.电场激活燃烧合成( TiB2 ) P Ni/ Ni3Al/ Ni功能梯度材料[J].复合材料学 报,2009,1(26):80-85 [2] 果世驹.粉末烧结理论[M] . 北京: 冶金工业出版社, 2007. [3] 张幸红,朱春城.自蔓延高温合成法制备TiB2-TiC复合陶瓷[J].材料工程,2002, 2: 13-15 [4] 方洪渊，冯吉才.材料连接过程中的界面行为[M]，哈尔滨工业大学出版社,2005 [5] 刘咏,黄伯云,贺跃辉,等.元素粉末冶金方法制备TiAl基合金[J].粉末冶金材料科学与工程,1999,4(3):189 [6] 乔亚霞.电场加压辅助燃烧合成技术及电场的作用研究[J].江苏陶瓷，2002，35（2）：8-11
同类课题研究水平概述
- 近几年对燃烧合成的研究集中于新材料合成、燃烧合成机理研究、燃烧动力学计算以及对现有方法进行改进用于特殊领域材料的合成，如纳米材料、生物材料、燃料电池和超导材料等。 目前，国内高校与科研院所对采用电场激活和压力辅助燃烧合成技术合成高熔点、多组分复合材料和功能梯度材料研究比较少，总的来说还处于初级阶段，合成的复合材料和功能梯度材料还有很多不完善的地方，比如:制备工艺不成熟、合成材料致密性差、抗热应力差等问题。 目前存在的主要问题是:(l)对于异种材料间在电场下的扩散连接过程的认识及界面结合机理的研究还处于发展和探讨阶段，认识尚不一致;(2)工艺过程也不太成熟，如对工艺参数、对材料性能要求等仍处于探索阶段。
