Ru、Y对铸造高温合金与陶瓷界面反应的影响

在定向凝固炉中,采用相同的硅基陶瓷型芯,刚玉陶瓷型壳,熔炼工艺和定向凝固工艺制备了四种不同Ru、Y含量的单晶高温合金叶片,研究了组织稳定性提升元素Ru、抗氧化性增强元素Y对合金与陶瓷材料界面反应的影响。研究结果表明,合金中不含Ru、Y时,合金与型壳发生的界面反应主要为物理粘砂作用,未见合金元素与型壳发生明显的化学反应,合金与型芯发生轻微的界面反应,除了物理作用,还发生了Al与SiO2的化学反应。合金中添加Ru,对合金与型壳或型芯的界面反应无影响。合金中添加0.01%Y后,合金与陶瓷型壳或型芯的界面反应稍有增加,但由于其添加量较少,故影响较小。

高温合金精密铸造用陶瓷型壳及其与合金界面反应的研究进展

高温合金因优异的高温性能广泛应用于航空发动机和工业燃汽轮机等领域,而制备性能优异的陶瓷型壳是生产精密高温合金铸件的前提。本文归纳了近年来陶瓷型壳制备技术的发展,分别叙述了陶瓷型壳基体材料的选择、黏结剂的影响、纤维材料改性、制备工艺等方面的研究进展以及现存的问题。同时,对于陶瓷型壳与高温合金发生的界面反应进行了分析讨论,总结了界面化学反应机理和润湿性机理,并归纳了陶瓷材料/合金组分元素对界面反应的影响,以及现有研究中存在的不足之处。最后指出基于高温合金精密铸造用陶瓷型壳制备技术未来研究的重点方向。

基于界面反应的渗透汽化复合膜制备及其脱盐性能研究

渗透汽化膜技术在高浓盐水处理等方面具有潜在应用价值.本研究采用儿茶素(EGCG)和乙烯胺-乙烯醇(VA-co-VAm)共聚物2种亲水性材料,通过界面反应在疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)膜上制备了用于渗透汽化脱盐的复合膜.通过调整共聚物和EGCG的沉积时间、反应浓度等制膜参数,控制复合膜选择层的结构.采用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)等分析方法研究复合膜的微观结构和理化特性.结果表明,复合膜具有出色的渗透汽化性能,在进料60℃、35 g/L NaCl盐水条件下,水通量可达33.19 kg/(m^(2)·h),盐截留率高于99.99%.在不同温度和盐质量浓度下,复合膜均表现出卓越的脱盐性能.

La对CMSX-4单晶合金与型壳润湿性及界面反应的影响

为了获取高质量的含稀土单晶叶片,采用座滴法研究了La含量对CMSX-4单晶合金与陶瓷型壳润湿性及界面反应的影响。实验结果表明,添加90×10^(-6) La时,合金与型壳的润湿角略有下降,合金中仅发现Al与型壳中的SiO_(2)发生反应,形成产物为Al_(2)O_(3);当合金中w[La]达到143×10^(-6)时,合金与型壳的润湿角显著下降,合金中的La和Al都与型壳中的SiO_(2)发生反应;随后继续增加La含量,界面处析出不同La、Al原子比的铝酸镧化合物,润湿角变化不大。由此可见,实验中,143×10^(-6)为CMSX-4单晶合金中La发生界面反应的临界含量,而且,La与SiO_(2)的反应可以提高合金/型壳体系的润湿性。

温度梯度下Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点热迁移及界面反应行为

探究了焊点平均温度为110℃(时效)及180℃(回流)时,Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点在温度梯度作用下的原子热迁移行为及界面反应行为.结果表明,在时效过程中,因Bi相的网状结构,Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点冷、热两端界面金属间化合物(intermetallic compound,IMC)呈现对称性生长.在温度梯度为1000℃/cm时,未发生明显的Bi原子迁移现象,但当温度梯度达到或超过1300℃/cm时,Bi原子会由热端向冷端界面迁移,并在冷端界面处偏聚.在回流过程中,温度梯度驱动Cu原子由微焊点热端向冷端界面迁移,导致两端界面IMC呈非对称性生长,而并未发现Bi原子的热迁移行为.因此,当Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点中钎料呈液态时,温度梯度仅驱动了Cu原子的热迁移,并未致使Bi原子发生热迁移;当钎料呈固态时,在较低温度梯度下Cu和Bi原子均不发生明显的热迁移,但较高的温度梯度会引发Bi原子的热迁移.

Cu核微焊点液-固界面反应及剪切行为研究

相较于传统Sn基焊点,Cu核焊点具备更好的导热性、导电性及力学性能。为揭示尺寸效应对Cu核焊点界面反应及剪切强度的影响,制备了不同Sn镀层厚度的Cu核焊点(Cu@Ni-Sn/Cu)。观察回流不同时间后Cu核微焊点横截面微观组织,研究了Cu核微焊点在尺寸效应下的液-固界面反应。之后对Cu核微焊点进行剪切测试,结合断口形貌,分析断裂机理。界面反应结果表明:Cu@Ni-Sn/Cu焊点在250℃回流时,Sn/Ni界面生成Ni含量较高的针状(Cu,Ni)_(6)Sn_(5)IMC,Sn/Cu界面生成Ni含量较低的层状(Cu,Ni)_(6)Sn_(5)IMC。剪切测试结果表明:随着Sn镀层厚度增加,Cu@Ni-Sn/Cu焊点的剪切强度先增大后减小。基于Sn镀层厚度对界面(Cu,Ni)_(6)Sn_(5)IMC层体积的直接影响,Sn层厚度的增加提升了焊点剪切强度。然而Cu@Ni-Sn(60μm)/Cu焊点中Cu核位置的偏移,造成剪切强度略有降低。

化学链甲烷氧化偶联界面反应路径和晶格氧传递的分子动力学模拟

本研究采用分子动力学模拟的方法计算八种金属氧化物催化剂-载氧体CL-OCM反应性能,并对性能最优的Mn_(2)O_(3)开展反应时间和颗粒尺寸的研究。结果表明,适当延长反应时间有利于提高C_(2)H_(4)选择性;C/O=1是Mn_(2)O_(3)的理想尺寸。基于以上结果分析了Mn_(2)O_(3)CL-OCM界面反应路径和晶格氧传递问题,以揭示反应机理。CH_(3)^(*)气相二聚化生成C_(2)H6的是CL-OCM最主要的碳偶联路径。除此之外,还存在两条碳偶联路径,均由CH2^(*)引发。CH_(3)^(*)与OH^(*)表面结合生成甲醇是CL-OCM副反应的先决步骤,抑制甲醇生成是提高CL-OCM反应C_(2)选择性的关键。晶格氧存在转化,表面晶格氧是甲烷活化的活性氧。晶格氧数量差异及体相晶格氧迁移阻力差异是导致CH_(4)转化率和C_(2)选择性不同的主要原因。该研究为CL-OCM催化剂-载氧体的机理探究提供新的方法。

Al_(2)O_(3)型壳与DZ125高温合金的润湿性及界面反应研究

DZ125合金因其优异的性能和较低的成本被广泛用于航空发动机的涡轮叶片。航空发动机涡轮叶片通常由熔模铸造技术制备,而陶瓷型壳是熔模铸造技术的基础和保障。陶瓷型壳与高温合金的润湿性及界面反应是高温合金涡轮叶片表面质量及尺寸精度的重要影响因素。以电熔白刚玉粉、EC95粉和电熔白刚玉砂为原料,以1030C硅溶胶为粘结剂,设计了涡轮叶片定向凝固成型用陶瓷型壳浆料配方,并制备了陶瓷型壳。在研究Al_(2)O_(3)型壳的微观结构和表面粗糙度的基础之上,重点研究了Al_(2)O_(3)型壳与DZ125高温合金的润湿性及界面反应。结果表明,制备的Al_(2)O_(3)型壳具有光滑平整的表面,表面粗糙度达1.973μm;Al_(2)O_(3)型壳对DZ125高温合金具有良好的惰性,两者的润湿角为119.54°;DZ125合金表面发生了轻微的化学粘砂,粘砂层厚度仅约0.5μm,化学反应产物主要为合金元素Ta、Cr、W和Ti的氧化物。Al_(2)O_(3)型壳与DZ125高温合金的界面处化学粘砂被有效抑制的主要原因为Al_(2)O_(3)型壳的光滑平整表面及其对DZ125高温合金展现出良好的不润湿性。

一种模拟铝合金与CFRTP界面反应过程的计算方法

铝合金与碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic composites,CFRTP)是兼具高性能与环境友好型的轻量化材料。针对铝合金与CFRTP异种材料的连接机理问题,提出了一种模拟界面反应过程中吸附能的计算分析方法,采用量子力学和分子动力学方法,在分子水平上研究异材界面的结合方式和微观作用机制。利用Materials Studio和LAMMPS商业计算软件,根据第一性原理优化确定高分子与金属铝晶面化学键的结合方式,能够获得键长、电子转移、态密度等微观数据。以6061铝合金与碳纤维增强PA66复合材料连接为例演示了计算过程,建立金属Al晶面模型、聚合物PA66稳定结构模型、PA66与Al(011)晶面键合模型,获得两相物质界面的化学键结合方式、化学键性质和体系的稳定性。该方法可推广应用于其他轻量化金属材料与CFRTP的连接问题,为连接界面设计及成型工艺优化提供理论指导。

在线电解修锐砂轮氧化膜界面反应及复合磨粒形成机理

Electrolytic In-process Dressing(ELID)砂轮氧化膜具有辅助抛光性能,对改善磨削表面质量具有极其重要意义。分析了ELID砂轮表面氧化膜界面反应及复合磨粒的形成机理,利用X-射线衍射(μ-XRD)微区分析及电子能谱仪(XPS)对复合磨粒的组成成分、复合区域进行了测试,用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对其形状、粒度、微观结构进行了研究。研究表明,氧化膜中复合磨粒是以磨粒为中心,从中心到边缘的成分依次为α-Fe_(2)O_(3),γ-Fe_(2)O_(3),FeO(OH),Fe(OH)3等氧化物的复合结构。复合磨粒表面形成的氧化膜,呈层层堆积的圆葱状结构,磨削脱水后呈龟背状裂纹。复合磨粒形状为近似长圆形,粒度可达11.5μm到50μm。若干个复合磨粒在氧化膜内连续成网状结构,该网状结构对氧化膜辅助抛光有利,复合磨粒有效去除宽度为磨粒粒度及α-Fe_(2)O_(3)层宽度。

航天电子微焊点液-固界面反应过程中的尺寸效应与工艺优化

针对微型化趋势下焊球的尺寸效应问题,研究了航天电子微焊点互连工艺过程中液-固界面反应与微观组织的影响规律,并对互连工艺进行了优化.具体研究了不同直径(200、400μm)的Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn-37Pb焊球分别在球栅阵列(BGA)器件侧金属化层(电镀Ni/Au)上进行单侧植球回流焊后的尺寸效应现象.研究结果表明:Sn-37Pb焊点界面处生成针状或短棒状的Ni3Sn4类型的金属间化合物(IMC)晶粒;Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点界面处生成不规则的块状(Cu,Ni)6Sn5晶粒.两种类型的焊点在液-固界面反应过程中均表现出明显的尺寸效应现象,即焊球尺寸越小,界面生成的IMC晶粒直径越大,IMC层越厚.基于建立的浓度梯度控制(CGC)界面反应理论模型,揭示了界面反应尺寸效应产生的原因与界面反应进程中界面溶质原子的浓度梯度相关,较小尺寸焊点界面处的溶质原子浓度梯度较小,溶质原子扩散通量较低,形成的界面IMC晶粒较大.基于CGC界面反应理论模型,对200μm直径Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点的单侧植球回流焊工艺参数进行了优化,工艺优化后界面生成的IMC晶粒直径减小了约60%,并且焊点在150 oC高温时效1000 h后的剪切强度提高了34%.

Cu40Ni30Fe20Sn5Ti5多主元合金/金刚石复合材料界面反应行为

采用放电等离子烧结方法制备Cu40Ni30Fe20Sn5Ti5多主元合金/金刚石复合材料,通过热力学计算和实验研究黏结相和金刚石的界面反应,分析界面反应对复合材料力学性能及磨损性能的影响。研究结果表明:烧结过程中,多主元合金黏结相中的Ti元素与金刚石在界面处发生了化学反应,生成TiC,且TiC层的厚度随着烧结温度和压力的升高而增加。在950℃烧结的复合材料中,TiC层较厚且致密,黏结相与金刚石界面结合良好,材料的硬度和横向断裂强度最高,此外,金刚石出露良好,能发挥较好的磨损作用,耐磨损性能也最好。当烧结温度高于950℃时,金刚石受到热损伤导致石墨化程度增加,多主元合金黏结相和金刚石的界面结合强度减弱,复合材料的横向断裂强度和磨损性能均降低。因此,适当的界面反应可提升金刚石复合材料的服役性能。

Al_(2)O_(3)纤维增强TiAl基复合材料的界面反应

采用电火花等离子烧结(SPS)制备Al_(2)O_(3)短纤维(含28%(体积分数)SiO_(2))增强Ti Al基复合材料。通过热力学和动力学分析,阐明界面反应机理。基体与Al_(2)O_(3)纤维的界面相为Ti_(5)Si_(3),该相主要来源于TiAl基体中的Ti元素和Al_(2)O_(3)纤维中的Si元素。TiAl基体与Al_(2)O_(3)纤维的界面反应激活能为285.1kJ/mol。此外,由于界面反应过程中Ti元素的消耗,界面周围的基体由γ-TiAl相组成。在热处理态Al_(2)O_(3)纤维和烧结态复合材料中,γ-Al_(2)O_(3)与非晶态SiO_(2)相发生化学反应,形成莫来石相。

金刚石表面镀Ti对Cu40Ni30Fe20Sn5Ti5/金刚石复合材料界面反应行为的影响

以Cu40Ni30Fe20Sn5Ti5多主元合金粉末和表面镀覆Ti层的金刚石颗粒为原料,采用放电等离子烧结方法制备复合材料,研究Ti镀层对黏结相和金刚石的界面反应情况以及复合材料力学性能和磨损性能的影响。研究结果表明:金刚石表面镀覆Ti层后,界面处反应生成的TiC层更加连续致密,提高了金刚石磨粒与黏结相的界面结合强度,使得复合材料具有更高的横向断裂强度。金刚石表面镀覆的Ti层降低了烧结过程中金刚石的石墨化程度,保证摩擦过程中金刚石晶体的完整性和出露高度,提高了复合材料的磨损效率和磨耗比,同时降低了复合材料的体积磨损率。因此,金刚石表面镀覆Ti层可有效地提升多主元合金/金刚石复合材料的服役性能。

离子界面反应对土壤孔隙状况的影响机制

[目的]分析不同价态离子对土壤颗粒表面电荷性质、颗粒间净作用力的变化规律,阐明离子界面颗粒的相互作用对孔隙状况的影响机制。[方法]利用工业CT扫描技术,对不同价态离子条件下的土壤孔隙状况进行测定,并分析了其形成的土壤孔隙特征差异。[结果]①Mg^(2+)体系下土体中孔隙数量远大于Na^(+)体系孔隙数量,为其1.43倍,其中,>1 mm孔隙数量分别占1.43%,1.06%。②Mg^(2+),Na^(+)体系土体中>1 mm土壤孔隙体积占所有孔隙体积比例分别为50.4%,40.2%;而且,Mg^(2+)体系下土体中>1 mm土壤孔隙体积是Na^(+)体系的1.42倍,Na^(+),Mg^(2+)体系土体中土壤孔隙度分别为2.06%,2.35%。③随着Na^(+),Mg^(2+)浓度升高,紫色土的表面电位分别从-391.7 mV降至-96.7 mV,从-167.3 mV降至-67.0 mV。在相同浓度下,紫色土表面电位(绝对值)表现为Na^(+)大于Mg^(2+)。④随着Na^(+),Mg^(2+)浓度的升高,土壤颗粒间净作用力呈减小规律,在同一浓度下,Mg^(2+)体系下紫色土颗粒间静电斥力小于Na^(+)体系,同时,在Na^(+),Mg^(2+)体系下,紫色土胶体颗粒间表现为净引力的临界浓度值分别为0.1 mol/L,0.005 mol/L。[结论]Na^(+),Mg^(2+)通过改变紫色土颗粒表面电荷性质,进而引起土壤颗粒间相互作用力发生变化,最终影响土壤的孔隙状况。

粉煤灰碳热氯化机制的界面反应

采用碳热氯化工艺从粉煤灰中提取铝、铁和硅并制备高值氯化产品,研究了氯化温度、氯化时间、炭种类、焦炭量、原料粒度的变化对粉煤灰碳热氯化过程的影响,分析了粉煤灰碳热氯化机制可能发生的四种界面反应情况。结果表明:氯化温度对粉煤灰氯化过程的影响较大,温度越高,粉煤灰中铝、铁和硅的氯化效果越好;粉煤灰中铝、铁和硅的氯化速度前期较快,30 min后氯化率增长缓慢;不同类型的炭对粉煤灰中铝、铁和硅的氯化率影响也较大,活性炭的氯化效果最好;随着焦炭量的增大,铝、铁和硅的氯化率逐渐提高,焦炭量增加至30%后,氯化率变化不大;粉煤灰和焦炭的粒度越细,粉煤灰的氯化效果越好;粉煤灰碳热氯化可能发生四种界面反应情况,第一种需要炭表面有足够的反应活性位点,同时炭活性位点距氧化物的间距要小于催化产生的活性氯原子消失殆尽的距离;第二种需要氧化物与炭接触,且炭表面没有可产生气态氯原子的活性位点;第三种需要炭上没有活性位点,且氧化物与炭的间距小于某极限距离;第四种需要Al_(2)O_(3)、Fe_(2)O_(3)或SiO_(2)颗粒与炭的距离大于极限距离;设法提高第一、第二种反应情况,并抑制第四种反应情况是提高氯化效果的最优途径。

Sn-xSb合金与Cu基体的界面反应行为及热力学

研究不同Sb含量Sn-Sb合金在Cu基板上的界面行为,以明确Sb元素对Sn-Sb合金焊料焊接可靠性的影响。通过分析Sn-xSb/Cu体系的显微组织和界面反应热力学,解释界面层的演化过程。结果表明,添加Sb对金属间合物层的生长并非单调递增。Sb能抑制Cu在焊料中的扩散。添加3%Sb(质量分数)使界面反应活化能从286.41降低到62 kJ/mol,促进了界面反应的进行。随着Sb含量增加至10%Sb(质量分数),界面反应活化能提高到686.73 kJ/mol,使界面反应难度增加,减少焊料对Cu基体的熔蚀,并抑制过厚界面层的形成。

Nb-Si合金高温熔体与型壳和型芯的界面反应

基于Nb-Si合金超高温精密铸造的需要,以Y2O3+ZrO2超高温陶瓷型壳和Y2O3基超高温陶瓷型芯为对象,研究了2000℃下Nb-Si合金高温熔体与两者的界面反应。结果发现,经过约30 min接触后,凝固后的Nb-Si合金外表面光滑,没有出现粘砂现象,同时陶瓷型壳和型芯与Nb-Si合金接触界面出现了HfO2层,但其厚度仅为几微米。表明型壳的Y2O3面层以及Y2O3陶瓷型芯对于Nb-Si合金高温熔体而言是惰性的。

锂离子电池界面反应活化能应用研究

运用EIS法研究了锂离子正负极材料扣式电池和全电池的界面电荷传递过程,结合Arrhe-nius方程分别得到了锂离子电池正、负极材料扣式电池和全电池的界面反应活化能。结果表明,正极扣式电池界面反应活化能与正极材料本身性质密切相关,随正极材料的不同而不同;负极碳材料扣式电池界面反应活化能变化较小,负极扣式电池界面反应活化能大于正极扣式电池。全电池界面反应过程活化能与负极界面反应活化能比较接近,说明负极界面反应过程是整个电池界面反应过程的“控制步骤”。

Sn晶粒取向对微焊点元素迁移及界面反应的影响

随着先进电子封装技术的不断发展,电子产品在服役时无铅微焊点内的元素迁移问题引起了广泛关注。由于先进封装互连尺寸的逐步缩小,微焊点扩散的各向异性问题日益凸显,即Sn晶粒取向显著影响元素的迁移行为,进而影响微焊点的界面反应。综述了在热时效、热循环、电流加载与温度梯度等条件下,Sn晶粒取向对焊点中元素迁移及界面反应的影响。现有研究结果表明,在热时效及热循环条件下,Sn晶粒取向对微焊点元素迁移及界面反应的影响较小,而Sn晶粒取向对微焊点的电迁移和热迁移有着相似的影响规律,并由此产生了界面金属间化合物(IMC)的非对称及非均匀生长现象。此外,还综述了基于数值模拟方法开展的微焊点元素扩散各向异性的相关研究,并对不同条件下的研究进展进行了总结。