基于熱壓燒結(jié)的Ti-Al2O3界面反應(yīng)機(jī)理及動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、金屬Ti和Al2O3陶瓷具有較好潤(rùn)濕性和相近的熱膨脹系數(shù)，因此Ti/Al2O3金屬陶瓷兼具兩相基體材料的優(yōu)點(diǎn)。但是，高溫下Al2O3與Ti易發(fā)生劇烈的界面反應(yīng)，生成Ti3Al、TiAl等脆性相，降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能。針對(duì)這一情況，本文在真空熱壓條件下，對(duì)Ti/Al2O3界面反應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)、物相組成和元素?cái)U(kuò)散等進(jìn)行深入研究，并推導(dǎo)了界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，為該復(fù)合材料界面改性提供了充分的理論依據(jù)。
　　利用真空熱壓技術(shù)和粉末包裹鈦片

2、的方法，研究了燒結(jié)溫度（1150-1450℃）和保溫時(shí)間（1.2-2.5 h）對(duì)Ti/Al2O3界面反應(yīng)的影響。結(jié)果表明：隨著燒結(jié)溫度的提高，界面反應(yīng)層的厚度呈指數(shù)型增長(zhǎng)，微觀結(jié)構(gòu)的致密化程度不斷增加；隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，界面反應(yīng)層的厚度呈線型增長(zhǎng)，但是微觀形貌變化不明顯。同時(shí)，利用菲克第二定律計(jì)算了界面處各元素的擴(kuò)散系數(shù)：當(dāng)燒結(jié)溫度為1450℃時(shí)，界面反應(yīng)層的厚度為112.5μm， Al元素、O元素和Ti元素的擴(kuò)散系數(shù)分別為2.71×

3、10-8 cm2s-1，5.22×10-10 cm2s-1和4.62×10-11 cm2s-1。其中，Al元素的擴(kuò)散能力最強(qiáng)，因此，界面反應(yīng)層主要是由Al元素向金屬 Ti中擴(kuò)散而形成，是典型的由擴(kuò)散控制的生長(zhǎng)模式，其生長(zhǎng)機(jī)制大致可以分為物理接觸、接觸表面的激活和界面化學(xué)反應(yīng)三個(gè)階段。XRD結(jié)果表明：界面反應(yīng)產(chǎn)物主要為TiAl相和Ti3Al相。另外，探討了不同元素的擴(kuò)散機(jī)制：Al元素以空位機(jī)制擴(kuò)散，O元素和Ti元素以間隙機(jī)制擴(kuò)散。

4、　　分別選用稀土氧化物Y2O3和CeO2為添加劑，抑制界面反應(yīng)程度，并探討了其作用機(jī)理。結(jié)果表明：添加Y2O3和CeO2后，界面處各元素的擴(kuò)散系數(shù)均有不同程度的降低，其中Al元素最為明顯。同時(shí)，Y元素和Ce元素參與界面反應(yīng)，生成CeAlO3、CeAl11O18、YAl和YAl2，改變了界面反應(yīng)層的物相組成。總體上，CeO2的作用效果優(yōu)于Y2O3，原因在于CeO2較低的熔點(diǎn)、Ce4+較小的離子半徑以及與Al離子和O離子較強(qiáng)的結(jié)合能力。