论文摘要
本文采用电场激活压力辅助燃烧合成（Field-Activated and Pressure-Assisted Combustion Synthesis,FAPACS）技术,以Ti-B4C-Ni反应体系通过原位合成的方法制备TiB2-TiC-Ni金属陶瓷,并利用添加TiAl金属间化合物中间层的方法,同步实现TiB2-TiC-Ni金属陶瓷与金属Ti的冶金扩散连接。电场激活压力辅助燃烧合成技术是在特有的电场、温度场和应力场等多种场的耦合作用下快速实现各种材料的合成,是一种快速、节能、环保的材料制备加工技术。与普通热压和热等静压工艺相比,FAPACS具有低能高效、强活化、烧结体致密度高、参数控制精确、可烧结材料体系广泛等一系列优点,从而在新材料的合成领域得到了快速的发展。本文以Ti-Al和Ti-B4C-Ni反应体系为研究对象,对各种不同比例的粉体进行机械合金化,分析了机械合金化过程中粉体的变化规律以及合成机理,并对未添加Ni粘结剂和添加Ni粘结剂时,Ti与B4C的反应机理进行了对比分析。随后对利用不同成分配比和不同工艺参数制备的TiB2-TiC-Ni金属陶瓷的显微组织、显微硬度、耐磨性、致密度和断裂韧性进行了测试,探讨了TiB2-TiC亚共晶陶瓷的凝固机理。最后,利用FAPACS技术同步实现TiB2-TiC-Ni金属陶瓷的合成和与金属Ti的连接,并对连接接头的组织及性能进行了测试分析,研究了在不同焊接电流和压力大小对Ti/TiAl/TiB2-TiC-Ni连接接头界面组织结构、力学性能的影响。研究结果表明：机械合金化明显可以细化粉末,并合成少量的产物相,如Ti19Al6和TiAl3相、TiB2和TiC相等,并对后续的反应过程产生重要影响。利用FAPACS技术合成的TiB2-TiC-Ni金属陶瓷的组织均匀致密,TiB2晶粒呈深色棒状和六边形状,而TiC晶粒则呈浅灰色不规则的多边形状,构成比例约为2：1,TiB2和TiC晶粒交错排列,分布于白色的Ni基体上。FAPACS制备的TiB2-TiC-Ni金属陶瓷最大显微硬度达2760HV,耐磨性明显优于利用热压法制备的陶瓷试样的耐磨性,约为2倍；比耐磨钢和W18Cr4V合金钢的耐磨性高一个数量级。随着金属陶瓷中的Ni含量的减少和合成电流的增加,耐磨性明显提高,当合成电流为1500A,成分配比为75%（Ti+B4C）+25%Ni,载荷为15N时,磨损量仅为1.2000mg。通过FAPACS烧结所得到的试样密度和断裂韧性明显高于热压烧结所得到的试样密度与断裂韧性,当Ni含量达到50%时,TiB2-TiC复合陶瓷具有最大的密度,达到5.937g/cm3；当合成电流为1400A,外加压力为60MPa,成分配比为75%（2TiB2+TiC）+25%Ni的金属陶瓷的断裂韧性达10.82 MPa·m1/2。添加Ni粘结剂改变了Ti与B4C的反应机理,并对TiB2-TiC复合陶瓷的凝固行为产生影响。在FAPACS过程中,66.7%molTiB2-TiC表现出亚共晶组织所特有的亚共晶生长形态,先共晶相TiB2和次生相TiC交错的分布在白色的Ni基体上,在TiB2和TiC晶界处产生了细小的纳米级的共晶（TiB2+TiC）组织。对利用FAPACS技术同步实现TiB2-TiC-Ni金属陶瓷的合成和与金属Ti的连接接头的组织及性能分析测试表明：以TiAl金属间化合物为中间层实现的梯度金属陶瓷与金属Ti的连接试样整体连接呈梯度分布,并结合紧密。TiB2-TiC-Ni与TiAl金属间化合物,TiAl金属间化合物与Ti之间的连接界面均结合良好,界面结合为冶金结合,形成宽度分别约为25μm和100μm的扩散溶解层。Ti/TiAl/TiB2-TiC-Ni连接接头的硬度呈梯度分布,表层陶瓷层的最大显微硬度值为2760HV。不同焊接电流和压力大小对Ti/TiAl/TiB2-TiC-Ni连接接头界面的剪切性能影响很大,当电流1400A,压力30MPa时,Ti/TiAl/TiB2-TiC-Ni连接接头的抗剪切性能比较稳定,约为55 MPa左右；当电流1500A,压力60MPa时,最大剪切强度达85.88MPa。无论电流和压力大小,断裂均发生在TiB2-TiC-Ni金属陶瓷与TiAl金属间化合物连接界面,表明该界面是连接接头的薄弱环节。