金属基复合材料制备中有害界面反应的控制和润湿性的改善工艺

介绍了液态法制备颗粒增强金属基复合材料（以SiCp／Al为例）过程中，如何控制增强相颗粒和基体之间发生的有害界面反应、改善增强颗粒与基体润湿性的常用方法。结果表明，添加Si元素、添加Ti、Zr、Nb、V等合金元素、表面涂覆和处理以及控制工艺方法和参数都可有效地抑制有害的界面反应发生和改善基体和增强相的润湿性。     

Hf对一种高温合金与陶瓷材料润湿性及界面反应的影响

研究了Hf对一种高温合金与陶瓷材料润湿性及界面反应的影响.测量了合金熔体与陶瓷材料的平衡润湿角,通过SEM,EPMA和XPS研究了合金与陶瓷材料的界面组织形貌、反应区元素分布及界面反应产物,分析了Hf对合金熔体与陶瓷材料润湿性及界面反应的影响,阐述了润湿性与界面反应的关系.结果表明,高温合金中Hf元素的含量会影响合金熔体与陶瓷材料的润湿性.对于本工作的合金,当Hf含量从0.1%逐渐增大至2.0%时,润湿角由132°逐渐减小至112°,润湿性显著增强;当Hf含量达到1.5%时,合金熔体与陶瓷材料发生界面反应,界面反应使润湿角明显减小,反应产物为HfO2.界面反应热力学分析结果表明,Hf和SiO2满足发生置换反应所需的热力学条件.     

La在Al2O3(sf)/Al-5.0%Cu复合材料界面的分布及界面结构研究

挤压铸造Al2O3（sf）／Al-5．0％Cu复合材料时添加适量稀土La，并研究了界面附近La元素的分布。添加稀土后能明显的改善纤维与基体的润湿性．并促进了界面反应的发生．在纤维与基体合金之间生成致密的厚度约2μm的过渡层．并建立了界面的生成及结构模型。     

SiC/Ti6Al4V复合材料界面反应产物的形成序列及扩散路径

通过SiC/Ti6Al4V钛基复合材料的制备及在不同条件下的热处理试验，利用SEM，EDS及XRD分析技术研究复合材料界面反应产物相的形成及反应元素的扩散路径。结果表明：反应元素如C，Ti，Si在界面反应层中出现浓度波动，合金元素Al并没有显著扩散进入界面反应产物层，而是在界面反应前沿堆积，其界面反应产物被确认为Ti3SiC2，TiCx，Ti5Si3C，和Ti3Si；在界面反应初期，存在着TiC＋Ti5Si3Cx双相区，当形成各界面反应产物单相区时，SiC／Ti6Al4V复合材料界面反应扩散的完整路径应为：SiC ｜ Ti3SiC2 ｜ Ti5Si3Cx ｜ TiCx ｜ Ti3Si｜ Ti6Al4V＋TiCx；界面反应产物层的生长受扩散控制，遵循抛物线生长规律，其生长激活能Q^k及k0分别为290.935 kJ·mol^-1,2.49× 10^-2 m·s^-1/2.     

高性能SiC增强Al基复合材料的显微组织和热性能

采用模压成型和无压浸渗工艺制备了高体积分数SiC增强Al基复合材料(AlSiC),对其物相和显微结构进行研究。结果表明:用上述方法制备的AlSiC复合材料组织致密,两种粒径的SiC颗粒均匀分布于Al基质中,界面结合强度高;SiC增强颗粒与Al基质界面反应控制良好,未出现Al4C3等脆性相。分析指出:Al合金中Si元素的存在有利于防止脆性相Al4C3的形成,Mg元素的加入提高了Al基体和SiC增强体之间的润湿性。所获得复合材料的平均热膨胀系数为9.31×10 6K 1,热导率为238 W/(m.K),密度为2.97 g/cm3,表现出了良好的性能,完全满足高性能电子封装材料的要求。     

SiCf/Ti-22Al-23Nb-2Ta合金复合材料的界面微结构

利用分析电子显微镜（AEM）研究了磁控溅射法＋真空热压方法制备的SiC纤维增强Ti-22Al—23Nb-2Ta（原子分数，％）合金复合材料的界面微结构．该复合材料的纤维／合金界面由细晶粒的TiC＋TiSi层、等轴晶TiC层和（Al，Ti）Nb2相层组成．界面的形成主要是基体合金中的Ti元素与SiC纤维表面的C涂层直接反应生成TiC；同时导致在次层形成贫Ti层和贫Ti层中Nb元素富集，以致形成（Al，Ti）Nb2相．     

C对一种镍基高温合金与陶瓷型壳界面反应及润湿性的影响

采用座滴法研究了C对一种高温合金与陶瓷型壳的界面反应及润湿性的影响.通过SEM和EPMA研究了合金与陶瓷型壳的界面组织形貌及反应区元素分布.利用Thermo-Calc软件计算了合金熔体中C,Cr和Al的活度,分析了C含量对合金熔体中C,Cr和Al的活度的影响.探讨了合金/陶瓷界面反应与润湿性的关系.结果表明,合金中C含量高于0.1%时,C的活度明显增大,合金熔体与陶瓷型壳发生界面反应,合金熔体/陶瓷体系由非反应润湿变为反应润湿,合金表面产生黏砂层且合金中Cr和Al扩散到陶瓷表面.     

La在A1_2O_(3(sf))/Al-5.0%Cu复合材料界面的分布及界面结构研究

挤压铸造A12O3(sf)/Al-5.0%Cu复合材料时添加适量稀土La,并研究了界面附近La元素的分布。添加稀土后能明显的改善纤维与基体的润湿性,并促进了界面反应的发生,在纤维与基体合金之间生成致密的厚度约2μm的过渡层,并建立了界面的生成及结构模型。     

SiC纤维增强Ti600复合材料界面研究

通过纤维涂层法(MCF)、结合热等静压(HIP)工艺制备了SiCf/Ti600复合材料,经不同条件真空热暴露试验后,结合SEM、EDS、XRD等分析技术对界面反应动力学和反应产物相形成的反应序列进行初步研究.结果表明,反应元素C、Si、Ti等出现浓度起伏,合金元素Al并没有显著扩散进入界面反应产物层,而是在界面反应前沿堆积,其界面反应产物被确认为:TiC、Ti5Si3和Ti3SiC2,界面反应产物的生长受扩散控制且遵循抛物线生长规律,其生长激活能Qk及指数系数Ko分别为266.46 kJ·mol-1.37x10-3m·s-1/3.     

SiCf/Ti-6Al-4V复合材料界面反应动力学

SiC纤维增强Ti基复合材料（SiCf／Ti）容易发生界面反应，从而影响其力学性能。开展界面反应和动力学的研究，对于SiCdTi复合材料的制备和服役具有指导意义。采用扫描电镜、透射电镜和X射线衍射分析了SICf／Ti-6Al—4V复合材料的界面反应及其动力学，发现SiC纤维的C涂层与Ti-6Al—4V反应形成粗晶粒的和细晶粒的TiC，长期高温热处理使得界面反应加剧，TiC层加厚，当C涂层完全消耗后，界面反应层中除了TiC外，还出现了Ti3SiC2。研究表明，界面反应层的加厚受元素扩散控制，服从抛物线规律，求出的动力学参数Q为268．8kJ／mol，k为0．0057m/s1/2。     

钨丝／Zr基金属玻璃复合材料的界面反应与扩散

采用渗流铸造工艺制备了钨丝增强不同Nb含量的Zr基金属玻璃复合材料，利用X-Ray衍射、扫描电镜以及电子探针考察了复合材料界面反应和界面扩散情况，研究了基体合金中的Nb含量对复合材料界面反应和界面扩散的影响。结果表明：对Zr55Al10Ni5Cu30基复合材料，渗流时，钨丝与液相中的Zr发生界面包晶反应，生成W5Zr3界面相，并使界面位置向液相方向移动。在Zr55Al10Ni5Cu30合金的基础上添加Nb，发现Nb优先在钨丝界面偏聚，降低了Zr在钨丝界面的偏聚和活度，抑制钨丝与液相中的Zr包晶反应的发生，没有生成W5Zr3界面相，界面处只存在简单的扩散层。同时发现Zr元素在钨丝中的扩散系数降低，此时界面位置向钨丝方向移动。     

55%SiCp/6061Al复合材料与PbO-ZnO-B2O3玻璃封接机理研究

主要研究了55%SiCp/Al复合材料与PbO-ZnO-B_2O_3玻璃封接过程中的润湿性和界面结合机理。研究结果显示:随温度升高,玻璃在4种母材上的铺展面积逐渐变大,润湿角减小,润湿能力提高,Al_2O_3陶瓷和SiC陶瓷与玻璃封接的铺展面积较大,润湿角较小,润湿性要优于复合材料。在450~490℃范围内将玻璃与55%SiCp/6061Al进行封接时,当封接温度高于470℃,在封接界面出现气泡,且随着温度升高气泡数量增多,尺寸变大;在460℃下封接时,玻璃与55%SiC/Al复合材料封接界面存在约为12μm的元素互渗区域,490℃时玻璃与Al_2O_3陶瓷的界面分界线清晰,与SiC陶瓷封接界面处,偏向玻璃侧存在SiC颗粒的渗入。     

SiC_f/Ti6Al4V/Cu复合材料的界面行为及力学性能

采用箔-纤维-箔法制备SiC_f/Ti6Al4V/Cu复合材料,研究Ti6Al4V在连续SiC纤维增强Cu基复合材料中作界面改性涂层时的界面反应结合特征.利用光学显微镜、扫描电镜和能谱仪分析复合材料显微组织、断口形貌以及SiC_f/Ti6Al4V界面和Ti6A14WCu界面的反应扩散特征.结果表明:该复合材料的抗拉强度并没有显著提高;SiC_f/Ti6Al4V界面反应非常微弱;而Ti6Al4V/Cu界面反应非常明显,主要是Ti原子与Cu原子之间的反应,反应层厚度约为20 μm;反应产物主要呈4层分布,分别为CuTi_2、CuTi、Cu_4Ti_3和Cu_4Ti.     

几种钴基高温钎料对SiC陶瓷的润湿与界面结合

采用座滴法研究了几种钴基合金在SiC陶瓷上的润湿行为。结果表明,在1493K^-10min的真空加热条件下,设计的CoFeNi(Si,B)-(8-15)Cr-(14-21)Ti合金能较好地润湿SiC陶瓷,但合金与SiC之间发生了十分强烈的界面反应,在靠近SiC约115μm的范围内,主要是钎料中元素Co,Fe,Ni,Cr参与反应,而在距离SiC表面稍远的区域则形成了TiC反应带,分析了其原因。新设计的CoNi(Si,B)-(8-15)Cr-(14-21)Ti与SiC陶瓷之间发生了适度的界面反应,能实现合金／陶瓷界面的牢固结合;商用钴基钎料BCo1虽然能很好地润湿SiC,但由于钎料自身脆性大,试样冷却后在SiC陶瓷内部发生断裂,而且钎料自身开裂。     

SiC_p/Al基复合材料的铝浴自蔓延反应制备及其热学性能

将SiC和Ti的混合粉末压坯浸入铝液中 ,引发SiC和Ti的自蔓延反应 ,制备了低膨胀、高导热和高含量SiCp/Al基复合材料。自蔓延反应产物Ti5Si3和TiC在SiC颗粒表面原位形成涂层 ,改善了SiCp/Al界面的润湿性。SiC颗粒自重沉降 ,可形成高SiC含量的复合材料。考察了复合材料的热膨胀系数、导热系数及其与自蔓延反应之间的关系。结果表明 ,自蔓延反应对材料的热膨胀系数影响不大 ,但剧烈的自蔓延反应会损害材料的导热性能 ,如果适当控制反应程度 ,可以制备低膨胀、高导热的SiCp/Al基复合材料。     

亚微米Al2O3颗粒表面稀土改性对Al基复合材料界面润湿性的影响

采用液相包裹法对亚微米Al2O3颗粒表面进行稀土氧化物Y2O3改性.通过表面改性前后颗粒增强Al基复合材料制备过程中,Al熔体在颗粒间渗透压力的变化,研究了颗粒表面Y2O3改性前后与Al熔体间界面润湿性的变化;同时利用真空座滴法对界面润湿性的变化进行了评定.结果表明:Al熔体在表面经Y2O3改性的Al2O3颗粒中的渗透压较改性前显著降低;颗粒表面改性后与Al熔滴间的接触角明显减少且与颗粒表面Y2O3包裹程度有关;说明颗粒表面经Y2O3改性后与Al基体间的润湿性得到了明显的改善,且6061Al较2024Al对Al2O3颗粒具有更好的润湿效果;其改善的主要原因是Y2O3与基体Al发生了界面反应,体系产生了反应润湿的结果.     

铝基自润滑复合材料的润湿性研究

对影响制备铝基自润滑复合材料过程中SiC与铝基体之间的润湿性的因素进行了分析;采用SiC表面高温氧化处理、添加Mg合金元素及控制温度提高润湿性的方法,制备了铝基自润滑复合材料,并对材料进行了金相分析以及组织结构观察.结果表明,SiC表面高温氧化处理、添加Mg合金及严格控制温度可以提高SiC与A1基体问的润湿性.     

SiC纤维增强Ti55复合材料的界面研究

利用纤维涂层法(FMC)、结合热压工艺制备了SiC纤维增强Ti55基复合材料(SiCf/Ti55).主要研究复合材料在经不同条件真空热暴露处理后,其反应产物相形成的反应序列以及界面反应动力学.结果表明,仅C、Si和Ti等元素参与了界面反应.在1000 ℃热暴露时,SiCf/Ti55复合材料界面反应产物序列为SiC | Ti3SiC2 | Ti5Si3+TiC | TiC | Ti55.但是,在低温热暴露的复合材料中不存在Ti3SiC2相.SiCf/Ti55复合材料界面反应产物的生长受扩散控制且遵循抛物线生长规律,其生长激活能Qk及指数系数k0分别为198.16 kJ·mol-1,1.79(10-3 m·s-1/2.相比SiCf/Ti复合材料和SiCf/Ti2AlNb复合材料,SiCf/Ti55复合材料拥有一个高稳定性的界面.然而,相比SiCf/Ti600复合材料和SCS-6 SiCf/ super а2复合材料,SiCf/Ti55复合材料中的纤维与基体更容易发生反应,且界面层更容易生长.     

改善氧化铝短纤维与铝液基体间浸润性的研究

提出通过基体合金化改善Al2 O3(sf) /Al界面浸润性的想法 ,添加的合金元素M须满足以下两个条件 :(1 )元素M的表面能必须小于Al的 ,即ΓM<ΓAl;(2 )元素M的氧化物生成Gibbs自由能要小于氧化铝的。在试验中得以验证 ,元素Mg是一种良好的润湿增强剂 ,稀土元素La可在Mg的基础上进一步增强其润湿性 ,但未发现其在界面上生成任何反应产物     

SCS-6 SiC纤维增强钛基复合材料的界面反应

SCS-6 SiC纤维增强Super α2钛基复合材料界面反应较严重,其反应产物分布可达6层之多;SCS-6 SiC/Ti2AlNb及SCS-6 SiC/IMI834复合材料仅形成3-4层界面反应产物SCS-6 SiC/IMI834复合材料在界面处形成的S2硅化物可在一定温度下阻止反应的进一步进行,使复合材料具有很好的热稳定性.对界面反应热力学研究表明,Ti3Al+C→Ti3AlC反应导致了界面反应产物Ti3AlC的形成.