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用燃烧波淬熄法对自蔓延高温合成机理的研究

范群成  
【摘要】:自蔓延高温合成(SHS)以其独特的优点成为制备化合物及复合材料的新技术。TiC 是高熔点和高硬度的优秀高温耐磨材料;TiC-Fe 由于较高韧性、耐磨性和可热处理性而被广泛应用;NiAl 是优良的低密度、高强度、高温材料,有望替代Ti-基和Ni-基超合金;而NiAl-Cu可改善NiAl 的韧性,并保持其形状记忆效应。因此,研究这些材料的SHS 机理既有重要的科学意义也有重要的工程应用价值。 相转变和显微组织转变是开启SHS 机理之门的两把钥匙,本研究主要通过显微组织转变的扫描电镜观察揭示SHS 机理。采用燃烧波淬熄法并对其进行了全面改进,更完整更清晰地记录了显微组织转变过程,为深刻认识SHS 机理提供了确凿而详实的实验证据,得到了下列重要结果: 建立了TiC 燃烧合成的壳-核机制及其模型。C 原子向Ti 粉粒中反应扩散形成了TiC 壳层,被TiC 壳层包裹的Ti 核熔化后,C 原子扩散过TiC 壳层向熔融的Ti 核中溶解,并析出TiC 晶粒。以前提出的TiC 燃烧合成的渗碳机制和溶解-析出机制被有机地统一在壳-核机制中,而且,壳-核机制可解释燃烧合成的TiC 呈轻微烧结状粉末的实验现象。 提出了TiC-Fe 燃烧合成的三元反应扩散/ 溶解-析出机制及其模型。在使用较粗Ti 和Fe 粉条件下,Ti 与C 的燃烧反应分别发生在Ti 和Fe 粉粒中,且前者先于后者。Ti 粉粒中的反应通过Fe、特别是C 向Ti 粉粒中的固态三元反应扩散进行;由于Fe 粉粒的熔点随C和Ti 向其中扩散而迅速向三元共晶温度降低,Fe 粉粒中的反应在液态下通过C 和Ti 向Fe液中溶解以及TiC 粒子析出而进行。 还提出了TiC-Fe 燃烧合成的双溶解-析出机制及其模型。在使用较细Ti 粉和较粗Fe 粉情况下,虽然Fe 粉粒中的燃烧反应未受影响,但较细Ti 粉粒中的反应变为溶解-析出机制。即,较细Ti 粉粒在反应开始前熔化,C 和Fe 向Ti 液中溶解,并析出TiC 粒子。较细Ti 粉粒在反应前的熔化归因于粉粒的小尺寸效应引起的受尺寸控制的熔点以及C 和Fe 向较细Ti粉粒中快速扩散引起的受成分控制的熔点的显著降低。 澄清了Fe 添加物在TiC-Fe 燃烧合成中的作用。Fe 添加物不仅仅起稀释剂和粘结剂的作用,更重要的是,还起了反应源和降低激活能的作用。它不仅通过C 和Ti 向Fe 液中的溶解为Ti 与C 的燃烧反应作了必要的准备,并为TiC 粒子提供了另一个析出源;C 和Fe 向Ti粉粒中的同时扩散,无论引起由TiC 粒子和富Ti 固溶体组成的三元反应扩散层,还是导致反应按溶解-析出机制进行,都改变了无Fe 添加物时C 原子向Ti 粉粒心部迁移的路径,从而降低了激活能。这揭示了加入Fe 粉降低反应点燃温度的原因,也清楚地说明了Fe 粉变为粘结剂的过程。 研究了反应物颗粒尺寸对TiC-Fe 燃烧合成特性的影响,并用所提机制和模型进行了满


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