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电场诱导燃烧合成铁基复合材料及机理研究

冯可芹  
【摘要】:TiC、VC都是铁基复合材料的理想增强体,尽管对燃烧合成TiC增强铁基复合材料的研究相对较多,但都是在高于1000℃条件下进行的。而对于燃烧合成VC增强铁基复合材料的研究目前未见报道。因此,在较低温度下燃烧合成TiC、VC增强铁基复合材料的研究具有创新性和重要的科学价值。 本文基于利用电场的大电流直接通过反应物体系来对其急速加热(即大热流密度),不仅利用电场来诱发体系的合成反应,而且还利用电场来维持和控制燃烧反应的进程。由于电场和热场的共同作用,对反应物原子间在低温下的固相扩散有附加贡献,通过促进反应物间的固相扩散来达到降低体系开始反应温度的目的,进而实现在较低温度下燃烧合成铁基复合材料的学术思路。以Fe-Ti-C和Fe-V-C两种体系为研究对象,主要采用Gleeble-1500D热模拟机进行实验,该设备具有易于实现过程控制、可实现动态过程与物相分析的有机结合、获得显微组织与形貌转变信息、自动化和信息化程度高等优点,能够较为准确地反映出瞬间所发生的燃烧合成反应宏观动力学过程,而这也是本论文实验方法的创新之一。而对电场诱导下燃烧合成过程及机理研究的成果不仅为铁基复合材料,而且可推广应用为金属-陶瓷复合材料提供一种新型的低温合成方法,并为此奠定理论基础。 首先对Fe-Ti-C体系在电场诱导下的燃烧合成进行研究。一方面,对体系燃烧合成的行为特征研究表明:电场的诱导作用主要体现在两个方面:一是为体系提供焦耳热,二是促进了反应物间的低温固相扩散过程。由于电场和热场 四川大学博士学位论文 的祸合作用,促进了体系在低温下的固相扩散。再者,由于本实验条件下电场 呈现大电流特征,由此所产生的场致发射会在低温下对体系提供附加的热量, 对反应物间的低温固相扩散提供附加贡献,从而使体系点火温度大幅度降低。 此外,在此燃烧合成过程中出现的“瞬时微区液相”对反应物的扩散有一定的 促进作用。对于FT44体系,当预设升温速度为600℃/s时,在点火温度393.69 ℃就能实现低温燃烧合成,并伴随有压坯的收缩,且收缩与合成反应是同步发 生的,说明压坯在燃烧合成过程中能够在一定程度上实现致密化。此外通过热 力学计算分析,进一步验证了在低温条件下该原位合成反应发生的可能性以及 合成的趋势。另一方面,通过对电场诱导下体系燃烧合成过程进行解析实验, 并与该体系在单纯热场作用下的热分析和高温XRD的实验结果进行对比,进一 步证实了电场诱导作用可大幅降低体系点火温度的结论。结果表明:体系的合 成反应过程在电场和热场的祸合作用下与在单纯热场下有所不同,电场诱导下 燃烧合成动力学过程为:在加热早期,体系在电场和大热流密度的共同作用下, 反应物间的固相扩散加强,体系虽未发生化学反应,但显微结构在一定程度随 温度而发生变化;随加热过程的进行,当达到点火温度时,体系由于所获得的 能量足够大而被点燃发生“热爆”现象,而在燃烧合成反应前期,合成TIC的 反应优先发生。随加热温度的继续提高,在发生Ti(s)+C(s)=TIC(s)反应的同时还 伴随有ZFe《s)十Ti《。二FeZTi(s》反应的发生:随加热温度的再进一步提高,体 系内所生成的FeZTi会部分发生分解,进而使得Ti(s)+C(s)=TIC(s》反应继续进行, 当温度到达最高温度时,该反应全部完成,合成产物由Fe、TIC和少量Fe汀i 组成,其中FeZTi为非平衡过程的过渡相。产物的组织形貌特征表明:反应得 到的TIC颗粒小,且比较均匀地分布在Fe基体中。 在相同Fe含量下,Fe一Ti一体系合成反应的放热量比Fe--V一C体系高,表 现出Fe--Ti一体系的燃烧合成反应比Fe--V一C体系要剧烈,点火温度相应要低 一些,在本文的研究范围内,Fe--Ti一C体系的点火温度在310~745℃范围内, 而Fe一V一C体系的点火温度在480~778℃范围内,两种体系所发生的皆为“热 爆”现象,并且在过程中都有“瞬时微区液相”的产生,但二者在合成产物的 组成上不同。研究结果表明:压坯成分对燃烧合成过程有较大影响,Fe含量 越高,其影响作用越大。对于Fe一Ti{体系,在本实验范围内,随Fe含量增 四川大学博士学位论文 加,体系点火延迟时间缩短,但点火温度升高,所达到的最高温度也升高。当 体系中Fe含量为45wt%时,所生成的TIC量最多,且TIC颗粒最小。而对于 Fe一V一C体系,在实验范围内,随压坯中Fe含量增加,点火温度提高,点火延 迟时间增加,但Fe含量对压坯所达到的最高温度没有太大的影响。此外,体 系成分对燃烧合成产物及其显微结构有一定影响,对于V含量相对较低的FV20 体系,反应产物由颗粒细小的V祀3和Fe组成;而对于V含量较高的FV32、FV44 体系,反应产物都由VSC了和Fe组成,且FV32体系的v8C了颗粒比FV44的稍大 一些。值得一提的是,对于Fe含量高达75wt%的Fe一Ti一体系实际上属于低 放热体系,然而在电场诱导下,当预设升温速度提高至1000℃/s,在743℃时 发生了燃烧合成反应,所获的合成产物中TIC颗粒细小,且没有FeZTi相出现。 而这正是本研究的创新点之一,即打破了前人研究所得出的“Fe一Ti一C体系中 Fe含量超过6Owt%就不能实现燃烧合成”的界限,从而使Fe一Ti一C体系燃烧


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