Effect of particle size of iron on reaction velocity of combustion synthesis of Ti-C-Fe system

Four Ti C Fe powder mixtures, with a same molar ratio but different particle sizes of Fe and Ti, were used to measure the reaction velocity of the combustion synthesis. The results show that in the case of the finer Ti powder used, the reaction velocity of mixture with the finer Fe powder is higher than that with the coarser Fe powder. However, in the case of the coarser Ti powder used, the reaction velocity of mixture with the finer Fe powder is lower than that with the coarser Fe powder. The effect of particle size of Fe powder on reaction velocity can be explained with the previously proposed mechanisms of the combustion synthesis of Ti C Fe system.

原料组份、粒度对Ti-C-Fe体系自蔓延高温合成的影响

本文探讨了Fe含量、碳源及Ti、C颗粒大小对Ti－C－Fe体系自蔓延高温合成过程及产物结构特征的影响．结果表明：Fe含量增高，燃烧温度降低，产物颗粒变细，而燃烧波速度在10wt％Fe时出现极大值，反映了Fe液相的作用．石墨作碳源燃烧合成的TiC更接近于化学计量的TiC，且TiC颗粒较粗，燃烧温度、燃烧波速度均较高，反映了碳源结构差异对燃烧合成的影响．Ti、C颗粒越细，越有利燃烧反应合成．随着Fe含量增高，Ti－C－Fe体系燃烧方式由稳态变为振荡式及螺旋式燃烧．Fe含量＞60wt％；反应则不能自持．

Ti-C-Fe体系的自蔓延高温合成

采用自蔓延高温合成技术制备ＴｉＣ／Ｆｅ复合粉末材料。研究了铁含量对燃烧温度、燃烧波速度的影响。采用ＸＲＤ和ＳＥＭ对合成产物的物相和结构特征进行了研究，并认为液相量对控制材料的结构特征起着主要的作用。通过燃烧波铜楔块淬熄法。

Ti-C-xFe体系自蔓延高温合成及机理

采用自蔓延高温合成新技术合成ＴｉＣ／Ｆｅ复合材料，研究了原料组份、粒度对合成过程及产物特征的影响．探讨了燃烧反应及结构形成机理结果表明，随Ｆｅ含量的增大，燃烧合成温度降低，合成ＴｉＣ粒度变细，燃烧波速度在Ｆｅ含量为１０％（质量分数）时出现极大值．与碳黑作碳源对比，细粒石墨在反应合成过程中表现出更大的活性．用钢楔块燃烧波淬息法研究了合成过程，整个合成过程经历了金属的熔融、碳向熔融体中的溶解扩散、大团聚的形成、小的 ＴｉＣ。颗粒生长及ＴｉＣ长大等阶段。

Al-TiO_2-C-Ti-Fe体系反应过程研究

采用 DSC和 XRD对不同 Fe含量 Al- Ti O2 - C- Ti- Fe体系的燃烧反应过程进行了研究。结果表明 ,Al- Ti O2 - C-Ti- Fe体系的反应是分步进行的。在高温区以金属间化合物的分解及 Ti、C反应为主 ;在低温区则随着 Fe含量的不同存在不同的反应 :Al- Ti O2 - C- Ti以 Al、Ti的反应为主 ,Al- Ti O2 - C- Ti- 2 0 wt% Fe以 Al、Ti及 Al、Fe反应为主 ,同时还存在 Al、 Ti O2 及 Fe、 Ti反应 ,而 Al- Ti O2 - C- Ti- 50 wt% Fe则以 Fe、Al和 Fe、 Ti反应为主。

电场作用下Fe含量对Fe-Ti-C体系低温燃烧合成的影响

采用Gleeble-1500D热模拟机,对电场作用下Fe含量对Fe-Ti-C体系低温燃烧合成过程和产物显微结构特征的影响进行了研究。结果表明:在电场和大热流密度作用下,体系的点火温度可以大幅降低;Fe含量越高,其对体系低温燃烧合成过程的影响越大。随Fe含量增加,体系点火温度升高,点火延迟时间缩短,所达到的最高温度也升高;与高温燃烧合成类似,低温燃烧合成的产物由TiC,Fe,少量Fe_2Ti组成;当Fe含量为45％时(质量百分数,下同),产物中的TiC量最多,且颗粒细小。

Fe-Ti-C系燃烧合成反应的热力学分析

利用相图计算技术（ＣＡＬＰＨＡＤ）对Ｆｅ－Ｔｉ－Ｃ燃烧合成反应体系进行热力学分析，着重研究Ｆｅ含量和Ｃ／Ｔｉ原子比对体系绝热燃烧温度Ｔａｄ和平衡相组成的影响．研究结果表明，Ｆｅ含量对 Ｆｅ－Ｔｉ－Ｃ三元系的平衡相组成影响不大，但对绝热燃烧温度的影响非常大．当保持Ｃ／Ｔｉ原子比接近１．０时，不管Ｆｅ含量如何变化；在２９８Ｋ下均会得到理想的平衡相组织ＴｉＣ＋Ｆｅ 随Ｆｅ含量增加，体系的绝热燃烧温度大致呈线性降低．Ｆｅ－Ｔｉ－Ｃ体系发生ＳＨＳ反应的热力学条件之一（Ｔａｄ＞１８００Ｋ）是Ｆｅ＜５５ｗｔ％．而 Ｃ／Ｔｉ原子比对绝热燃烧温度的影响比较小，但对平衡相组成影响非常大，主要表现在两个方面：①石墨相的析出温度不同．随Ｃ／Ｔｉ原子比降低，析出温度也随之降低．②在各温区石墨相的含量不同．当 Ｃ／Ｔｉ在１．０～１．４变化时，石墨相含量在低温区由１％提高到１６％．

(Ti,Fe)-Al-C体系钢铁基复合材料的热力学计算与分析

利用溶液热力学理论,研究了(Ti,Fe)AlC体系钢铁基复合材料可能的反应产物的吉布斯自由能变化。热力学实验模型是在FeC熔液中加入钛铁合金(Ti,Fe)和纯铝块,继续加热到1600℃,熔液经过充分混合、反应后随炉冷却到常温。计算结果表明,TiC先于Fe2Ti、Fe3C等相生成,但始终没有Al4C3和TiAl3相产生;体系中TiC的热力学稳定性最高;在凝固过程中,TiC相优先析出,随后可能有Fe2Ti、Fe3C等相析出;铝含量的增加能够促进TiC、Fe2Ti、Fe3C等相的生成。

预设加热温度对Fe-Ti-C系低温燃烧合成的影响及燃烧合成机理探讨

采用Gleeble-1500D热模拟试验仪,就预设加热温度对55w%(Ti+C)+45w%Fe压坯在大热流密度条件下燃烧合成过程的影响进行了研究。结果表明:在各预设加热温度条件下,体系的反应起始温度均在400℃以下,且随预设加热温度的升高,体系燃烧反应起始温度下降。同时讨论了在电场作用下体系燃烧合成的机理。认为:由于粉末压坯结构的不连续性,外加电场将对其产生能量有特有贡献,导致在低温条件下压坯获得巨大的能量而发生反应。

Fe-Ti-C-Al体系中二元相的原位生成热力学计算

用溶液热力学方法研究了在1 400～1 600℃温度范围内,Ti、C、Al等元素对Fe-Ti-C-Al体系的影响。计算结果表明,在1 600℃时,TiC能在Fe溶液中直接反应生成,并且Al能促进各反应生成吉布斯自由能变的降低。在1 400～1 600℃温度范围内,Ti含量的增加能促进Ti Al3和Fe2Ti的降低,Fe3C的升高;C含量的增加能够促进Fe3C、TiC和Ti Al3的降低;此外,过量的C能促进Fe2Ti的升高。

电场作用下75wt%Fe-25wt%(Ti+C)体系燃烧合成的探讨

采用Gleeble热模拟机对75Fe-25(Ti+C)体系在电场作用下的燃烧合成进行探讨,结果表明:这种不能采用普通SHS技术进行燃烧合成的体系,当预设升温速度为600℃/s时,在电场作用下仍不能实现燃烧合成;而当预设升温速度提高到1 000℃/s时,在电场作用下该体系能在743℃发生燃烧合成反应,合成产物由TiC和Fe组成,其中细小的TiC颗粒有一定程度的团聚现象。

Fe-C-Ti-Mn合金系中TiC原位生成反应的热力学分析

根据溶液热力学理论对Fe C Ti Mn体系中TiC增强体的原位合成进行了热力学分析。计算表明,体系中TiC优先于Fe3C和Fe2Ti形成,且在热力学上比Fe3C和Fe2Ti稳定。多数情况下,TiC基体合金在液态未凝固时即可形成,而Fe3C和Fe2Ti则是在合金凝固和冷却过程中才有可能析出。随C含量增加,形成TiC和Fe3C的可能性增大;随Ti含量增加,形成Fe2Ti的可能性增大,而形成Fe3C的可能性减小;高Ti高C时,有利于形成TiC,高Ti低C时有利于形成Fe2Ti;高C低Ti时有利于形成Fe3C;添加适量的Mn既可有效抑制Fe3C的形成,又明显降低TiC的合成温度,使大多数TiC的合成反应发生在合金熔体充满铸型后的冷却、凝固过程中,可能解决TiC过早析出、熔体粘度增大、充型困难等问题。

反应火焰喷涂合成TiC-Fe涂层的反应机理

利用差热分析（DTA）、X－射线分析（XRD）等测试手段，研究了反应火焰喷涂过程中喷涂粉末（Fe－Ti－C体系）的反应机理．研究结果表明，在反应火焰喷涂合成TiC-Fe涂层中，喷涂粉末在飞行过程中的反应是逐步进行的．喷涂距离为125～170mm是发生反应的主要区域．在到达工件表面时，反应已基本结束．因此，与传统热喷涂相比，反应火焰喷涂的优势在于，利用廉价原料一步合成、沉积比较昂贵的涂层材料．

电场作用下压力对Fe-Ti-C体系低温燃烧合成的影响

采用Gleeble1500D热模拟机,对电场作用下压力对55%(wt)(Ti+C)-45%(wt)Fe体系低温燃烧合成过程和产物显微结构特征的影响进行研究。结果表明,在电场和大热流密度作用下,体系的点火温度可以大幅降低,当压力为0～6MPa时,点火温度在310～464℃范围内。压力对体系的低温燃烧合成有较大影响,在加热过程中施加一较小的压力,不仅可以降低点火温度,还能获得细小的TiC颗粒;而过高的压力将会导致点火温度的提高,且所获得的TiC颗粒有所增大。压力对体系点火延迟时间的影响规律与点火温度相同,而对体系所达到的最高温度影响相对较小;但压力对燃烧合成产物的相组成影响不大,都由Fe、TiC和少量Fe2Ti组成。

含钛铁基耐磨复合材料的研制

为了研制一种铁基耐磨复合材料,采用等离子熔覆技术,通过调节铬含量制备多组Fe-Cr-Ti-C合金系统.借助SEM和XRD等分析手段对熔覆层组织和碳化物形貌进行分析.结果表明,熔覆层中随着铬含量的提高,基体组织由A+F向F及M转变;碳化物M7C3及TiC等硬质相的数量逐渐增多.此外研究了铬含量对熔覆层耐磨粒磨损性能的影响规律,熔覆层的耐磨性随着铬含量的增加而提高,当铬含量达到20.1%时,大量高硬度六边形M7C3复合物结合一定量的呈开花状、球状或团聚状TiC颗粒均匀弥散分布在具有较高强韧性的板条马氏体基体中,使得熔覆层具有最佳的耐磨性.

Cr-Fe-Ti-C系反应火焰喷涂研究

采用钛铁、石墨、铁粉和高碳铬铁为原料 ,利用反应火焰喷涂技术制备了Cr Fe Ti C系涂层。研究结果表明 ,在喷涂过程中合成了TiC ,涂层主要由TiC、(Cr,Fe) 7C3 硬质相和Fe组成。SRV磨损试验表明 ,由于涂层中含有 (Cr,Fe) 7C3 及合成的TiC硬质相 ,因此涂层具有良好的耐磨性能 ;涂层的磨损机理为粘着磨损和硬质相的剥落 ,但主要是粘着磨损。由于 (Cr,Fe) 7C3 需要Ti C之间的反应放热补充热量才能使其完全熔化 。

工艺参数对电场诱导Fe-Ti-C系燃烧合成的影响

采用G1eeble热模拟机,利用电场诱导Fe-Ti-C系燃烧合成,针对保温过程和压力对体系燃烧合成的影响进行了探讨。对体系燃烧合成过程的温度场和合成产物进行了分析,结果表明:电场作用可降低体系的点火温度,200℃保温压坯的点火温度及所达到的最高温度都比相对应的未保温压坯的高,未保温压坯的合成产物由TiC,Fe和Fe2Ti组成,而保温压坯的合成产物主要由TiC和Fe组成,经过200℃保温的合成产物中TiC颗粒比未保温的要小一些。在加热过程中对压坯施加一较小的压力不仅可以降低点火温度,还能获得细小的TiC颗粒,但压力对合成产物的组成影响不大,都由Fe,TiC和少量Fe2Ti组成。

电场诱导Fe-Ti-C系燃烧合成:电流对合成产物的影响

采用Gleeble-1500D热模拟试验机,利用电场诱导Fe-Ti-C体系发生燃烧合成反应,并研究了外加电流对合成产物的影响。对产物进行了X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等分析。结果表明:产物中均存在TiC相,而少量的Fe2Ti相仅存在于特定的阶段;随着外加电流的增加,颗粒的平均尺寸也发生不同程度的减小。外加电场能够促进反应物粒子的固相扩散和形核长大,并最终影响合成产物的物相组成和颗粒尺寸。

电场诱导Fe-Ti-C体系低温燃烧合成显微组织演变

采用Gleeble-1500D热模拟机,通过对质量分数55%(Ti+C)-45%Fe粉末压坯分别升温至250～800℃的解析实验,研究Fe-Ti-C体系在电场诱导下低温燃烧合成的显微组织演变。结果表明:在电场和大热流密度的共同作用下,体系的点火温度可大幅降低。当加热温度在250～350℃之间,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;当加热温度在350～470℃范围内,体系被点燃发生“热爆”现象,而在燃烧合成反应前期,合成TiC的反应优先发生;当加热温度提高到470～670℃,合成TiC反应发生的同时还伴随有合成Fe2Ti的反应;然而随加热温度进一步提高到670～800℃,Fe2Ti会发生部分分解,进而使得合成TiC的反应继续进行。当温度达到800℃左右,该合成反应全部完成,产物由Fe、TiC和少量Fe2Ti组成。此外,通过合成反应所得呈圆球状、细小的TiC颗粒均匀地分布在Fe基体中,且随加热温度的提高而有所长大。

电场诱导Fe-Ti-C体系燃烧合成数学模型及机理研究

在前期实验结果的基础上,基于能量守恒定律,建立数学模型,得出Fe-Ti-C体系燃烧合成时转化率随反应时间转变关系曲线,发现电场作用下Fe-Ti-C体系燃烧合成符合金斯特林格扩散模型,得出了Fe-Ti-C体系燃烧合成反应机理。