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原位反应TiB/Cu涂层研究进展

化工新型材料 2024年

作者：王飞宇孟玲玉赵汉卿胡明佳木斯大学材料科学与工程学院

原位反应TiB2/Cu涂层由于具有硬度高、耐磨损、耐腐蚀及高温性能稳定等特点，而广泛应用于生产机械零件及表面修复。随着以资源有效利用和机械产品再制造为一体的可持续发展战略不断推进，这类涂层将拥有更为广阔的应用前景。结合原位反... 详细信息

原位反应TiB2/Cu涂层由于具有硬度高、耐磨损、耐腐蚀及高温性能稳定等特点，而广泛应用于生产机械零件及表面修复。随着以资源有效利用和机械产品再制造为一体的可持续发展战略不断推进，这类涂层将拥有更为广阔的应用前景。结合原位反应TiB2/Cu涂层目前的研究现状，分析了原位反应TiB2/Cu涂层的制备方法现状及存在的问题，研究了原位反应TiB2/Cu涂层的导电性能，指出了未来原位反应TiB2/Cu涂层制备技术中应重点关注的方面。

关键词：原位反应 TiB /Cu涂层制备方法导电性

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碳化硅吸波材料的原位反应法制备及其机理

材料研究学报 2024年第09期 659-668页

作者：崔思凯付广艳林立海颜雨坤李处森沈阳化工大学机械与动力工程学院中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心

使热解碳与硅粉分别在1800℃、2000℃和2200℃进行原位反应制备三种SiC材料，观察其微观形貌、物相和晶体结构并测试其电磁吸波性能，研究了原位反应温度对其吸波性能的影响。结果表明，在1800℃硅碳原位反应生成3C结构的β相SiC，在200... 详细信息

使热解碳与硅粉分别在1800℃、2000℃和2200℃进行原位反应制备三种SiC材料，观察其微观形貌、物相和晶体结构并测试其电磁吸波性能，研究了原位反应温度对其吸波性能的影响。结果表明，在1800℃硅碳原位反应生成3C结构的β相SiC，在2000℃原位反应的蒸发—冷凝过程中β相SiC向6H结构的α相SiC转变。随着反应温度的提高相变加剧，α相SiC的比例随之提高，SiC材料对电磁波的介电损耗性能减弱，阻抗匹配性能也随之提高。原位反应温度不低于2000℃时生成的SiC材料，其介电损耗和阻抗匹配性能适当，是性能较好的吸波材料。

关键词：复合材料碳化硅吸波材料碳化硅相变原位反应吸波性能

冷变形对（Ni2B+C）/Cu复合材料原位反应过程的影响

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冷变形对（Ni2B+C）/Cu复合材料原位反应过程的影响

作者：高文文西安理工大学

学位级别：硕士

随着工业领域的迅猛发展,对材料的综合性能提出了更高的要求,虽然铜基复合材料的研究在国内外已经取得了明显的进步并取得了巨大的成果,但在利用原位反应粉末冶金制备复合材料的过程中,仍然存在一些挑战,如:原位反应动力不足导致反应效... 详细信息

随着工业领域的迅猛发展,对材料的综合性能提出了更高的要求,虽然铜基复合材料的研究在国内外已经取得了明显的进步并取得了巨大的成果,但在利用原位反应粉末冶金制备复合材料的过程中,仍然存在一些挑战,如:原位反应动力不足导致反应效率不高、原位反应程度不可调控、增强相分散和尺寸无法控制、增强相和铜基体界面结合问题以及烧结过程中能耗过大等问题。为解决这些问题,本文以Cu-10Ni合金粉末、B4C粉末为原材料,利用机械振动混粉和真空热压烧结相结合的方式快速完成(Ni2B+C)/Cu复合材料致密化,确定最佳的致密化烧结工艺参数。随后通过控制原位反应温度和时间的方式研究复合材料的原位反应过程,确定最佳的原位反应参数。结果发现(Ni2B+C)/Cu复合材料原位反应时间较长,效率较低。因此在原位反应前对复合材料通过冷轧的方式获得不同的变形量,增加复合材料内部缺陷,实现提高(Ni2B+C)/Cu复合材料的原位反应驱动力的目的。通过实验研究和结合Avrami经验方程深入讨论了不同冷轧工艺对原位反应过程的影响,以及对复合材料组织、力学性能和导电性能的影响。通过掌握影响强度和导电率的关键因素,更好的对(NiB+C)/Cu复合材料的强度和电导率等性能进行调控。本文得到的主要结论如下:1.为了确保复合材料在进行原位反应之前能够充分致密化,采取了对均匀混合的Cu-10Ni粉和B4C粉进行快速热压烧结的方法。经过研究,确定了(Ni2B+C)/Cu复合材料的最佳致密化烧结工艺为950℃×15 min。在此工艺条件下,能够快速实现(Ni2B+C)/Cu复合材料的致密化,提高烧结效率,节省烧结时间及降低能耗。2.对制备的完全致密的(Ni2B+C)/Cu复合材料以Cu基体中增强相的数量和粉末粒子边界处的B4C为依据进行不同温度和时间的原位反应研究。当原位反应参数为900℃×60 min时,Cu基体中生成的大量细小均匀增强相Ni2B且含量最多,起到强化复合材料性能的作用。复合材料粒子边界EDS能谱分析发现粒子边界处的B4C消耗殆尽,(Ni2B+C)/Cu复合材料性能最佳,且抗拉强度和伸长率也高于烧结态950℃×60 min的复合材料。3.对(Ni2B+C)/Cu复合材料进行不同变形量(10%、20%、30%)轧制处理。轧制处理后复合材料致密度达到99.8%以上,显微组织相较于烧结态复合材料的显微组织中的Cu基体晶粒被压扁拉长。随着变形量的增加,复合材料的晶粒沿着轧制方向拉长倾向增大。轧制处理后的复合材料硬度有了大幅度的提升,且随着变形量的增加复合材料的硬度增加,其中热轧硬度提高了 16.77%,冷轧硬度最高提高了 51.6%。但由于位错密度的增加和基体晶粒的碎化,导电率相较于烧结态依次呈现下降的趋势。4.冷变形可使(Ni2B+C)/Cu复合材料内部产生大量的缺陷,这些缺陷处可能有助于提供第二相形核的良好位置,或者增强析出和反应的动力,从而促进第二相的快速析出。同时这些缺陷对原子的迁移十分有利,提高原位反应的驱动力,大大提高了原位反应速率。得到的(Ni2B+C)/Cu复合材料性能最佳的工艺为:20%冷轧处理+700℃+60 min。该工艺下复合材料的硬度和导电率达到良好匹配,硬度155.93HV,电导率36.69%IACS。5.采用Avrami相变动力学经验方程计算得到了(Ni2B+C)/Cu复合材料冷轧变形量的相变动力学S曲线,拟合得到原位反应过程的激活能Q为29.798 kJ/mol。原位反应温度越高、变形量越大,复合材料中生成相同体积分数的增强相所需要的时间越短。因此,原位反应处理前对复合材料进行较大程度的冷变形,在相同的时效温度下可以提高析出动力,加速增强相形核与长大,有效缩短体积分数达到峰值反应时间。同理,在变形量相同的情况下,反应温度越高复合原位反应动力越强,反应速率越快。

关键词： (Ni2B+C)/Cu复合材料冷轧原位反应反应动力学

基于原位反应制备的B4C-TiB2陶瓷刀具及其切削性能研究

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基于原位反应制备的B4C-TiB2陶瓷刀具及其切削性能研究

作者：杜泽配齐鲁工业大学

学位级别：硕士

针对等静压陶瓷生坯加工时刀具磨损失效快的问题,本文采用放电等离子耦合高频感应烧结技术,基于两种原位反应分别制备了BC-TiB陶瓷刀具,分析了刀具的微观结构、力学性能和切削性能,阐明了切削加工机理。首先,在BC基体中加入TiO,运用放... 详细信息

针对等静压陶瓷生坯加工时刀具磨损失效快的问题,本文采用放电等离子耦合高频感应烧结技术,基于两种原位反应分别制备了BC-TiB陶瓷刀具,分析了刀具的微观结构、力学性能和切削性能,阐明了切削加工机理。首先,在BC基体中加入TiO,运用放电等离子耦合高频感应烧结（SPS-HF）技术,通过原位反应引入TiB,得到性能优异的BC-TiB陶瓷刀具。研究结果表明,TiO和部分BC发生原位反应,生成了TiB,活化了烧结,降低了烧结所需的驱动力,获得了致密度更高、性能更好的陶瓷刀具。在TiO含量15 vol.%、温度1750℃、保温10 min下,TiO和BC原位反应制备的BC-TiB陶瓷刀具展示出最佳的综合力学性能,其相对密度为98.5%,维氏硬度为26.72 GPa,抗弯强度为454 MPa,断裂韧性为5.08 MPa·m。与直接引入TiB的陶瓷刀具相比,分别增加了2.6%、3.6%、15.8%和20.7%。裂纹偏转、裂纹分支、裂纹桥接等增韧机制是BC-TiB陶瓷的断裂韧性提升的主要原因。其次,以TiC和无定形B粉作为原料,采用SPS-HF技术原位反应制备了BC-TiB陶瓷。研究表明,以TiC和B作为原始粉末生成的BC-TiB陶瓷,实现了在1700℃的较低烧结温度下致密化,微观结构均匀,抗弯强度和断裂韧性得到明显提升。当温度为1700℃、保温6 min和TiC/B摩尔比为1:6.5时,以TiC和无定形B粉原位反应制备的BC-TiB陶瓷的力学性能最佳,其相对密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性分别可达98.2%、25.54 GPa、530 MPa和5.17 MPa·m。BC和TiB之间产生了残余应力,使得裂纹发生偏转和分支,提高了BC-TiB陶瓷的断裂韧性。采用单因素试验法,使用两种原位反应制备的刀具对等静压AlO陶瓷生坯进行了干切削实验,研究了不同原位反应对BC-TiB陶瓷刀具切削性能的影响。结果表明,以TiC和无定形B粉为原料制备的BC-TiB陶瓷刀具因具有更高的抗弯强度和断裂韧性,微观结构更加均匀,晶粒更细小,能够有效地抵抗切削力并减少切削过程中的摩擦,进而减轻切削力的影响,使得工件表面形貌提升。该刀具车削等静压陶瓷生坯的最优切削参数为f=0.102 mm/r,v=40 m/min,a=0.6 mm。刀具磨损的主要形式为磨粒磨损,来自于等静压陶瓷生坯的硬质陶瓷颗粒在刀具表面的摩擦作用。

关键词：等静压陶瓷生坯 B4C TiB2 原位反应切削性能

Al-Si-Ti复合体系中的原位反应机制及其力学性能研究

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Al-Si-Ti复合体系中的原位反应机制及其力学性能研究

作者：李鑫西安理工大学

学位级别：硕士

Ti5Si3具有低电阻率、良好的耐磨性、高硬度、热膨胀系数低等优点,被视为复合材料理想的增强相之一。然而,目前通过原位合成法制备界面结合良好的Ti5Si3颗粒增强铝基复合材料的研究鲜有报道。以Al-Si-Ti三元复合体系为原料,通过原位反... 详细信息

Ti5Si3具有低电阻率、良好的耐磨性、高硬度、热膨胀系数低等优点,被视为复合材料理想的增强相之一。然而,目前通过原位合成法制备界面结合良好的Ti5Si3颗粒增强铝基复合材料的研究鲜有报道。以Al-Si-Ti三元复合体系为原料,通过原位反应生成的具有亚稳复杂结构的三元相常作为铝基体中的主要生成物,其作为增强相时,存在化学计量比不固定,成分与微观组织形貌不易控制,其对复合材料力学性能的提升作用有限等瓶颈问题,并且该反应合成过程往往伴随着AlSi共晶组织的显著粗化影响铝基复合材料强化效果的有效提升。因此,目前在铝基体中原位合成Ti5Si3增强相的制备技术尚不成熟,并且关于其反应形成机制及其对复合材料力学性能的作用机理尚不明晰。针对以上问题,本文创新性地提出采用粉末冶金固相烧结技术,在适当原料配比及制备温度下,利用Al-Si-Ti复合体系组元间的互扩散反应原位合成Ti5Si3增强AMCs。研究通过热力学分析明确了Al-Si-Ti复合体系中不同增强相的反应路径与反应趋势,采用行星球磨-放电等离子体烧结-热挤压的复合工艺制备了Ti5Si3增强AMCs试样;利用跨尺度表征观察了不同制备条件下复合材料的微观组织与界面结构,解析了复合材料中Ti5Si3增强相的合成过程,揭示了其原位反应机理;通过调控制备工艺和热处理参数,实现了对增强相微观结构与基体组织的有效调控;通过力学性能的测试评价,明确了Ti5Si3增强相微观结构及其与铝基体之间的界面结构演变对复合材料力学性能的影响规律;在此基础上,结合混合定律及剪切-滞后模型等经典强化理论模型阐明了原位自生Ti5Si3颗粒增强AMCs的强化机理。以Al粉、Si粉、Ti粉为原料,在铝硅共晶温度下烧结制备的AMCs,物相表征结果为复合材料物相组成为Al、Si和Ti5Si3相,即采用本研究技术路线在Al基体中成功原位合成了Ti5Si3增强相颗粒;在基体中形成了以Ti颗粒为核芯以Ti5Si3为壳层的Ti5Si3@Ti核壳结构,随着烧结时间的延长,核壳结构逐渐完全转变为Ti5Si3颗粒。其形成过程为添加的Si颗粒在Al基体中通过扩散及固溶析出在Ti颗粒周围偏聚,钛-硅之间发生互扩散反应逐渐围绕Ti颗粒形成Ti5Si3反应层。界面结构表征结果显示,在Ti5Si3/Al界面处存在纳米级TiSi过渡层,将Ti5Si3/Al非共格界面转变为Ti5Si3/TiSi/Al半共格-共格复合界面,使得Ti5Si3与基体之间的界面相容性和界面结合性得到显著加强。Al-5Si-3.2Ti5Si3复合材料的抗拉强度达327MPa,伸长率为6.3%,较Al-2.37Ti的250MPa提高了30.8%,延性提高了200%,较Al-5Si的264MPa提高了23.9%且延性得到了较好的保持。在掌握了Ti5Si3反应合成机制的基础上,通过控制烧结保温时间,Al-5Si-3.2Ti5Si3复合材料中的核壳结构随着保温时间的增加而逐渐减少,Ti5Si3颗粒分布愈加弥散,其对晶界迁移的阻碍作用更为明显,因此更有利于抑制基体晶粒的长大。当保温时间达到90min时,基体中AlSi共晶组织粗化,其抗拉强度最高可达367MPa,较Al-5Si的264MPa提升了39%,且延性得到了较好的保持。随烧结时间的延长,核壳结构从有效承载后断裂（30min）转变为裂纹沿核壳结构边缘萌生并扩展后失效（60min）,再到Ti5Si3团簇颗粒及硅颗粒承载后断裂（90min）,最终转变为Si颗粒承载以及孔洞处因应力集中而发生促进裂纹萌生与扩展造成材料的提前失效（120min）。结合经典强化理论模型阐明了Ti5Si3增强AMCs的强化机理,Ti5Si3增强AMCs的强化机制包括细晶强化、载荷传递强化、Orowan强化、热错配强化和加工硬化强化。通过制备Al-5Si-xTi5Si3（x=0.8,2.0,3.2wt.%）复合材料,并采用淬火和时效（T6）热处理对AMCs微观组织进行调控,深入研究了增强相含量对复合材料性能的影响。结果表明,Ti5Si3增强AMCs的抗拉强度随着Ti5Si3含量的增加而增加,Al-5Si-3.2Ti5Si3复合材料的抗拉强度达到377MPa,相较于Al-5Si提高了43%且延性得到了较好的保持;其显微硬度为110HV,相较于Al-5Si提高了31%。经过热处理后,可显著细化AMCs中AlSi共晶组织的尺寸,但由于铝基体与增强相颗粒的热膨胀系数差异使得基体中产生裂纹从而导致复合材料的承载能力有所下降。

关键词：铝基复合材料 Ti5Si3增强相粉末冶金原位反应力学性能强化机制

原位合成AgCuSnTi钎料原位反应过程研究

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电焊机 2024年第6期54卷 7-12页

作者：赵亦嘉纠永涛尹慧明张雷中国机械科学研究总院集团有限公司北京100044 宁波中机松兰刀具科技有限公司浙江宁波315700

为探究AgCuSn基活性钎料原位反应进程,使用Ag、Cu、Sn、Ti单质金属粉按不同质量分数比机械混合,并加入适量粘结剂和水配置成焊膏,加热至不同温度并保温。采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱扫描仪(EDS)等对钎料微观组织进行表征,基于热力学... 详细信息

为探究AgCuSn基活性钎料原位反应进程,使用Ag、Cu、Sn、Ti单质金属粉按不同质量分数比机械混合,并加入适量粘结剂和水配置成焊膏,加热至不同温度并保温。采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱扫描仪(EDS)等对钎料微观组织进行表征,基于热力学理论及扩散理论分析探究钎料原位反应进程。结果表明:原位反应主要分为三个阶段,第一阶段:Sn熔化后钎料中反应产生Cu_(6)Sn_(5)、Cu_(3)Sn二元金属间化合物。第二阶段:在650℃到750℃左右钎料初步合金化,在Ti金属粉周围形成圈层结构扩散层,该扩散层由CuTi二元金属间化合物组成。第三阶段:在850℃左右钎料完全合金化,与石墨基板充分接触并形成冶金结合。

关键词： AgCuSnTi四元钎料原位反应显微组织冶金结合

CuSnTi复合钎料原位反应机制与接头组织性能

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粉末冶金材料科学与工程 2024年第4期29卷 311-319页

作者：赵亦嘉纠永涛刘豪陈正南丁宗业路全彬中国机械科学研究总院集团有限公司北京100044 宁波中机松兰刀具科技有限公司宁波315700 郑州机械研究所有限公司新型钎焊材料与技术国家重点实验室郑州450001

简化CuSnTi钎料制备流程、降低生产成本对高性能工具的发展至关重要。本文通过直接机械混合Cu、Sn、Ti单质金属粉制备CuSnTi钎料,并用于钎焊PcBN/YG8异质材料,研究不同反应温度下CuSnTi钎料的微观组织演化,揭示钎焊过程中钎料的原位反... 详细信息

简化CuSnTi钎料制备流程、降低生产成本对高性能工具的发展至关重要。本文通过直接机械混合Cu、Sn、Ti单质金属粉制备CuSnTi钎料,并用于钎焊PcBN/YG8异质材料,研究不同反应温度下CuSnTi钎料的微观组织演化,揭示钎焊过程中钎料的原位反应机制,并分析接头组织与性能。结果表明:CuSnTi钎料原位反应主要分为3个阶段:第一阶段,Sn熔化与Cu发生反应依次形成Cu_(6)Sn_(5)与Cu_(3)Sn;第二阶段,Ti颗粒周围依次形成CuTi、Cu_(4)Ti_(3)、CuTi_(3)与CuSn_(3)Ti_(5);第三阶段,液态钎料与石墨基体反应形成TiC,然后凝固析出不规则CuSn_(3)Ti_(5)。利用机械混合粉末钎料和合金粉钎料钎焊的PcBN/YG8接头均为冶金结合,其剪切强度分别为96.06 MPa和91.40 MPa。机械混合粉末钎料钎焊的接头在PcBN处发生断裂,具有优良的力学性能。

关键词： CuSnTi复合钎料原位反应显微形貌接头组织力学性能

原位反应法制备Al/Al_3Ti复合材料组织和性能

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复合材料学报 1997年第2期14卷 66-70页

作者：陈子勇陈玉勇舒群彭德林安阁英哈尔滨工业大学材料科学与工程学院

本研究采用一种新型的原位反应工艺，使ＴｉＯ２粉剂与纯铝熔体反应，生成Ａｌ３Ｔｉ颗粒，然后采用搅拌铸造法制备Ａｌ／Ａｌ３Ｔｉ复合材料。生成的Ａｌ３Ｔｉ颗粒尺寸细小，为２～３μｍ，而且分布均匀，与基体结合好。当ＴｉＯ２加... 详细信息

本研究采用一种新型的原位反应工艺，使ＴｉＯ２粉剂与纯铝熔体反应，生成Ａｌ３Ｔｉ颗粒，然后采用搅拌铸造法制备Ａｌ／Ａｌ３Ｔｉ复合材料。生成的Ａｌ３Ｔｉ颗粒尺寸细小，为２～３μｍ，而且分布均匀，与基体结合好。当ＴｉＯ２加入量为纯铝基体的３０ｗｔ％、反应温度为９２０℃时，复合材料的抗拉强度比纯铝基体提高７１．５％，硬度提高１３４％，而延伸率较纯铝稍有下降。

关键词：金属基复合材料原位反应铝 Al3Ti

原位反应法制备Cr_2AlC-Fe基复合材料(英文)

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硅酸盐学报 2013年第3期41卷 309-313页

作者：陈新华翟洪祥王文娟黄振莺北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044

采用原位反应法制备了Cr2AlC-Fe基复合材料,通过热分析、X射线衍射、扫描电子显微镜和三点弯曲实验研究了原位反应的烧结工艺对产物物相、显微结构和性能的影响。结果表明:通过高温原位反应,原料中碳化铝铬发生了分解,所生成的碳铬化合... 详细信息

采用原位反应法制备了Cr2AlC-Fe基复合材料,通过热分析、X射线衍射、扫描电子显微镜和三点弯曲实验研究了原位反应的烧结工艺对产物物相、显微结构和性能的影响。结果表明:通过高温原位反应,原料中碳化铝铬发生了分解,所生成的碳铬化合物在Fe晶界形成了网络状陶瓷增强结构,所制备的复合材料在室温下具有较好的强度和韧性。但随着碳化铝铬含量的增加,复合材料的强度与断裂韧性之间呈负相关关系。当原料中碳化铝铬的含量为50%,烧结温度为1300℃,在30MPa压力下保温30min时,复合材料的抗弯强度达1417.05MPa,但断裂韧性只有18MPa m1/2。

关键词：复合材料碳化铝铬原位反应烧结弯曲行为