超重力场辅助燃烧合成技术制备Fe_3Al合金及其抗氧化性能研究

本课题利用超重力场辅助的两步燃烧合成技术成功制备了Fe3Al合金.首先利用Al/Fe2O3之间的铝热反应释放的高热量使得产物(Fe和Al2O3)转变成高温混合熔体,Fe熔体在1 000 g超重力场的作用下迅速从高温混合熔体中分离,并和底部的纳米铝粉发生二次燃烧合成,生成致密的Fe3Al金属间化合物.Fe3Al样品中仅存在极少量的气孔,孔径小于2μm.该Fe3Al合金在低于1 000℃温度下表现出良好的抗氧化性能,有望成为一种优良的高温结构材料.

超重力场辅助燃烧合成钼铜功能梯度材料(英文)

采用超重力场辅助燃烧合成的方法制备了钼铜功能梯度材料。燃烧合成生成的Cu熔体在1000 g超重力场作用下渗透进入Mo粉坯中,随着熔体温度降低及渗透压力减小,沿超重力场方向上形成组分梯度分布的钼铜功能梯度材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对样品沿超重力场方向的物相组成和微观形貌进行表征,利用激光闪射法、维氏硬度计对样品沿超重力场方向的热扩散系数的硬度值进行测试。结果表明:样品沿超重力场方向钼铜合金组分渐变,Mo含量由75 vol%减小至40 vol%,相对密度相应的由97.6%降低至96.5%。相对密度的降低可能是由沿超重力场方向Cu熔体冷却体积收缩增大造成的。钼铜功能梯度沿超重力场方向的热扩散系数由43.2 mm^2·s^(-1)增加至66.6 mm^2·s^(-1),硬度值由1390 MPa逐渐减小至710 MPa。

超重力场辅助燃烧合成技术快速制备Fe_3Al合金

利用超重力场辅助燃烧合成技术成功制备Fe3Al合金。在超重力场的辅助下,自蔓延高温反应的产物可以迅速分离和致密化,样品中仅存在极少量的气孔,孔径普遍低于2μm。研究了超重力场对自蔓延燃烧反应的影响,提高超重力系数,有利于克服坩埚内外的压力差,抑制质量和热量对外传递,提高金属产物的产率。但超重力场过大会加剧铁铝比例的失调,超重力系数越高,合金中的残留铁越多。合金与石墨坩埚接触的边缘地方发现渗碳体的形成,随着合金中残留铁的比例增高,渗碳体的数量逐渐增多,引起合金的硬度逐步增大。渗碳体的脆性很大,这会加剧Fe3Al合金的室温脆性,所以要尽可能地减少铁的残留以及防止碳的掺入。

超重力场辅助燃烧合成YAG:Ce玻璃陶瓷

采用超重力场辅助燃烧合成的方法制备了Ce掺杂Y_3Al_5O_(12)玻璃陶瓷。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、共聚焦显微拉曼光谱仪及荧光光谱仪对Ce掺杂Y_3Al_5O_(12)玻璃陶瓷的物相结构及光致发光性能进行了研究。结果表明:在超重力场的作用下,燃烧合成的金属产物与玻璃陶瓷相完全分离,得到了高纯度的Y_3Al_5O_(12)玻璃陶瓷;玻璃陶瓷样品中Y_3Al_5O_(12)晶相沿超重力场方向依次呈现出枝状晶、等轴晶和柱状晶的变化趋势。分析了玻璃基体沿超重力场方向的拉曼光谱和元素分布的变化,认为Y_3Al_5O_(12)晶相结晶形貌上的梯度变化是由超重力场引起的物质沉降和定向热扩散所造成的。测得等轴晶区玻璃陶瓷样品密度为4.0 g·cm^3,硬度值为9.5 GPa。光致发光光谱表明制得的Ce掺杂Y_3Al_5O_(12)玻璃陶瓷样品具有良好的荧光性能,可作为封装材料应用于照明领域。

超重力场辅助燃烧合成Mo合金

以Al、Mo O_3、Si O_2和B_2O_3为原料,采用超重力场辅助燃烧合成的方法制备了Mo合金,并研究了B_2O_3组分含量对Mo合金的物相组成、微观结构和力学性能的影响。在1000 g超重力场作用下,燃烧合成生产的金属与陶瓷熔体快速分离和凝固,获得致密度高的Mo合金样品。采用X射线衍射(XRD)仪、扫描电子显微镜(SEM)对Mo合金的物相组成和微观形貌进行了研究。对反应合成产物的X射线衍射分析表明,随着B_2O_3组分含量的增加,产物中有新相生成,新相的主要成分为Mo_3Si和Mo_5Si B_2。结果表明:当反应物B_2O_3组分的质量分数由0增加至12%,产物Mo合金的密度由9.76 g/cm^3下降至9.35 g/cm^3,硬度由300 MPa增加至1035 MPa,抗弯强度由711 MPa下降至460 MPa。在超重力场的作用下,B_2O_3含量的增加促进了新相的产生,新相Mo_3Si和Mo_5Si B_2的产生对Mo合金起到了增强的作用。

TiC-TiB_2陶瓷与1Cr18Ni9Ti不锈钢超重力场燃烧合成焊接研究

采用超重力场燃烧合成技术,通过在燃烧体系底部放入一定厚度的1Cr18Ni9Ti不锈钢板,在制备高性能TiC-TiB2凝固陶瓷的同时,实现了陶瓷—不锈钢的部分熔化扩散焊,进而制备出了陶瓷—金属层状复合材料。经FESEM观察,陶瓷—不锈钢之间存在原子互扩散现象,在扩散过渡层区形成了富钛碳化物呈相间分布且细小的TiB2镶嵌其上的凝固组织。同时,在陶瓷侧存在Al2O3夹杂。

绝热温度对超重力场燃烧合成TiC-TiB_2组织及性能的影响

通过在(Ti+B4C)体系中引入相应含量的(CrO3+Al)高能铝热剂,采用超重力场燃烧合成,在不同绝热温度下制备出具有不同含量Cr基合金相的TiC-TiB2复合陶瓷。XRD、FESEM和EDS分析表明,TiC-TiB2复合陶瓷主要由TiB2片晶与不规则的TiC晶粒组成,少量的Al2O3夹杂颗粒孤立地分布于陶瓷基体上,而Cr基合金相则分布于TiB2片晶与不规则TiC晶粒周围。增加燃烧合成绝热温度,因增加了陶瓷熔体中的Cr基合金相含量,不仅促进陶瓷致密化,而且促使陶瓷凝固组织细化,使得TiB2片晶诱发的裂纹偏转、裂纹桥接、片晶拔出及Cr基合金相所引起的延性相增韧随之增强,进而使陶瓷断裂韧度与抗弯强度增大。

基于正交试验的超重力场燃烧合成Al_2O_3-ZrO_2(4Y)工艺参数优化

采用正交试验法对超重力场燃烧合成Al2O3-Zr O2(4Y)共晶复合陶瓷的工艺参数进行优化,以产品的相对密度、维氏硬度、断裂韧性为综合评定指标,得到其优选实验方案为:超重力系数为250 g,添加剂Si O2含量为6 wt%,绝热燃烧温度为3250 K。采用SEM与EDS分析了优选实验条件下制备的复合陶瓷的微观组织和化学成分,并测得其相对密度、维氏硬度、断裂韧性分别可达99.5%、20.2 GPa和16.8 MPa·m1/2。

超重力场燃烧合成TiB_2-TiC-Ni缺陷控制和组织改性

通过在(Ti+B_4C)体系中引入系列含量的Ni金属添加剂,采用超重力燃烧合成技术,在2 kg的超高重力场下制备出含有不同质量分数Ni金属相的TiC-Ti B_2凝固陶瓷。XRD、FESEM和EDS分析表明不同TiC-TiB_2凝固陶瓷均由TiB_2片晶、TiC晶粒及分布其间的Ni金属相构成,当燃烧反应体系中添加质量分数不超过15%的Ni金属,在保证较高的燃烧温度和速率的前提下,可以有效促进液态陶瓷内部气体排出与成分均匀化,进而促使陶瓷致密化、陶瓷基体细化、组织均质性改善,最终使陶瓷相对密度与力学性能均得以提高。但是,过多引入Ni添加剂反而导致Ti B_2初生相异常长大,恶化陶瓷组织均质性,增加内部缺陷,甚至引发陶瓷热裂。

多元素掺杂优化SnTe的热电性能

热电材料可实现热能和电能的直接相互转换,在温差发电和半导体制冷领域具有广阔的应用前景。SnTe作为PbTe的无毒同族类似物,是一种极具潜力的中温区热电材料。本研究采用超重力场辅助燃烧合成(HG-CS)技术,结合放电等离子体烧结(SPS)制备多元素掺杂的SnTe基热电材料,系统研究了多元素掺杂对SnTe热电性能的影响规律和作用机制。在SnTe的阳离子位引入等价离子Ge^(2+)和Pb^(2+),阴离子位引入S^(2-)和Se^(2-),多元素掺杂引起大量晶格畸变点缺陷。同时,在超重力场下快速凝固带来的塑性变形引入了应力场和大量位错,从而形成了多级微观结构缺陷,强烈散射中高频声子,室温热导率从7.28 W·m^(-1)·K^(-1)(未掺杂SnTe)大幅下降到2.74 W·m^(-1)·K^(-1)(Sn_(0.70)Ge_(0.15)Pb_(0.15)Te_(0.80)Se_(0.10)S_(0.10)),在873 K时,其最小热导率仅为1.38 W·m^(-1)·K^(-1)。这些微结构缺陷散射声子的同时也散射载流子,导致载流子迁移率和电导率降低。值得一提的是,掺杂使SnTe的带隙减小,Seebeck系数提高,因此掺杂后材料的功率因子仍保持较高值。实验得到Sn_(0.70)Ge_(0.15)Pb_(0.15)Te_(0.80)Se_(0.10)S_(0.10)的最大热电优值(ZT)达到1.02(873 K),与未掺杂的SnTe相比得到大幅提高。

TiC-TiB_2陶瓷与Ti6Al4V熔化连接及层状复合材料制备

通过引入Ti-6Al-4V合金板,采用超重力场燃烧合成技术,在制备细晶TiC-TiB2凝固陶瓷的同时,实现了陶瓷-钛合金的熔化扩散焊,进而制备出具有成分梯度特征的陶瓷-钛合金层状复合材料.陶瓷-钛合金层间接头组织表明,正是因超重力场燃烧合成的爆燃特性及超重力场对燃烧产物形成的高温真空环境,使得钛合金表面发生熔化,进而发生液态陶瓷-钛合金液相层间的原子互扩散现象,故在陶瓷-钛合金连接区形成钛合金与富钛碳化物呈相间分布且细小TiB2片晶镶嵌其上的凝固组织,并使陶瓷-钛合金接头呈现成分梯度特征,进而使得陶瓷-钛合金的连接抗剪强度达到450 MPa±35 MPa,层状复合材料硬度从陶瓷至钛合金一侧则呈线性逐渐减小.

TiC-TiB2陶瓷与Ti-6Al-4V钛合金的熔化连接研究

利用超重力场,在燃烧合成TiC-TiB_2细晶凝固陶瓷的同时,实现了陶瓷与钛合金的熔化连接。陶瓷-钛合金连接接头的显微组织表明,伴随着TiC-TiB_2凝固陶瓷的合成,在超高重力场燃烧合成引发的高温热真空环境下,钛合金表面发生熔化并引发液态陶瓷与液态钛合金之间强烈的原子互扩散,进而在陶瓷-钛合金连接区形成了富Ti碳化物与细小的TiB_2呈相间分布且镶嵌于钛合金上的凝固组织。同时,陶瓷-钛合金连接接头的硬度从陶瓷至钛合金一侧呈线性逐渐降低。

陶瓷-金属异质插层梯度复合材料组织演化

采用超重力场燃烧合成工艺,进行TiB_2基陶瓷-钛合金的熔化连接以及钛合金-中间陶瓷-42CrMo合金钢的加压瞬间液相扩散连接,成功制备出陶瓷—金属—陶瓷—金属梯度复合仿生材料,在陶瓷—钛合金界面上原位生成多相(TiB_2、TiB与TiFe)尺寸与体积分数均呈连续变化的梯度复合结构,且在钛合金—中间陶瓷—42Cr Mo界面也原位生成Ti Fe相尺寸与体积分数均呈连续变化的梯度复合结构,继而通过微观形成仿生结构,就在宏观上使材料硬度具有硬—软—硬—软连续变化的分布特征。