Cu-Ti-C/B4C体系燃烧合成行为及钢基复合材料的制备

论文摘要

本文通过研究Cu-Ti-C和Cu-Ti-B4C体系在钢液外的CS反应行为和机制,优化出钢液内CS反应工艺参数,采用CS反应技术与铸造法相结合,成功地制备出TiC和TiC-TiB2颗粒局部增强钢基复合材料。因此,本文以Cu-Ti-C和Cu-Ti-B4C体系为研究对象,研究动力学影响因素对DTA、SHS和TE反应动力学的影响规律,揭示三种反应条件下的反应机制和其共性规律,为研究钢液内CS反应行为和制备组织健全、性能优异的TiC和TiC-TiB2颗粒局部增强钢基复合材料奠定理论基础。提出了Cu-Ti-C和Cu-Ti-B4C体系在DTA、SHS和TE反应条件下反应机制均为溶解反应析出机制,并揭示出其共性规律,即Cu与Ti首先固相扩散反应形成TixCuy金属间化合物,随后形成Cu-Ti液相,C或BB4C颗粒溶解到Cu-Ti液相中,形成Cu-Ti-C三元液相或Cu-Ti-B-C四元液相,当液相中[Ti]、[C]、[B]的浓度达到形成TiC或TiC与TiB2的热力学条件后,反应析出TiC或TiC与TiB2。揭示出动力学影响因素（Cu含量、Ti、C和BB4C粉粒度）对DTA、SHS和TE反应动力学的影响规律,Cu含量不仅影响固相反应形成TixCuy的动力学条件,而且影响反应形成的陶瓷相数量,即影响体系放热量,因此,随着Cu含量增加,产物中TiC和TiB2颗粒尺寸逐渐减小,燃烧温度和燃烧波速逐渐下降,引燃时间先降低后增加,Cu含量为20wt.%时引燃时间最短;Ti粉粒度仅影响固相反应形成TixCuy的动力学条件,即反应速率,因此,仅对引燃时间有影响,随着Ti粉粒度增加,引燃时间延长,对燃烧温度、燃烧波速、陶瓷颗粒尺寸和形貌影响不大;C和B4BC粒度影响Cu-Ti-C三元液相或Cu-Ti-B-C四元液相的形成速率,即影响反应析出陶瓷颗粒的速率,因此,随着C或BB4C粉粒度增加,产物中TiC和TiB2颗粒尺寸逐渐减小,燃烧温度和燃烧波速逐渐下降,引燃时间逐渐增加,反应越来越难以进行。采用Cu-Ti-C和Cu-Ti-B4C体系钢液外CS反应优化出的工艺参数,通过CS反应技术与铸造法相结合,成功地制备出TiC和TiC-TiB2颗粒局部增强钢基复合材料,增强区内TiC和TiB2陶瓷颗粒尺寸细小,分布均匀,组织致密,界面干净,增强区域和基体区域之间的过渡区域结合良好;增强区的硬度和耐磨性明显高于基体区,其中,TiC-TiB2双相陶瓷颗粒局部增强钢基复合材料增强区的硬度和耐磨性明显高于TiC单相陶瓷颗粒局部增强钢基复合材料增强区的硬度和耐磨性;同时,优化出硬度与耐磨性综合性能较佳的CS反应工艺参数。发现反应动力学影响因素（Cu含量、C、BB4C粉粒度）对Cu-Ti-C和Cu-Ti-B4C体系钢液内外CS反应动力学（引燃过程、燃烧温度、产物尺寸和形貌等）的影响规律是基本一致的,其差别仅是反应速度与程度不同。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 CS的研究进展
• 1.2.1 CS的分类及特点
• 1.2.2 CS的研究现状
• 1.2.3 CS技术的理论发展
• 1.2.3.1 CS热力学理论发展
• 1.2.3.2 CS动力学理论发展
• 4C体系CS反应机制的研究现状'>1.2.4 M（Metal）-Ti-C/B₄C体系CS反应机制的研究现状
• 4C体系CS反应机制'>1.2.4.1 Al-Ti-C/B₄C体系CS反应机制
• 4C体系CS反应机制'>1.2.4.2 Fe-Ti-C/B₄C体系CS反应机制
• 4C体系CS反应机制'>1.2.4.3 Ni-Ti-C/B₄C体系CS反应机制
• 4C体系CS反应机制的研究现状'>1.2.4.4 Cu-Ti-C/B₄C体系CS反应机制的研究现状
• 1.3 颗粒局部增强钢基复合材料的研究进展
• 1.4 研究内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 DTA实验
• 2.2.2 SHS实验
• 2.2.3 TE实验
• 2.2.4 钢基复合材料的制备
• 2.3 样品表征
• 2.3.1 X射线衍射分析
• 2.3.2 直读光谱分析
• 2.3.3 扫描电镜和能谱分析
• 2.4 性能测试
• 2.4.1 硬度测试
• 2.4.2 磨损性能测试
• 2.5 实验方案
• 4 C体系CS反应热力学'>第3章 Cu-Ti-C和Cu-Ti-B₄C体系CS反应热力学
• 3.1 前言
• 3.2 Cu-Ti-C体系
• 3.2.1 Cu-Ti-C体系反应生成标准Gibbs自由能计算
• ad 计算'>3.2.2 Cu-Ti-C体系CS反应T_ad计算
• 4C体系'>3.3 Cu-Ti-B₄C体系
• 4C体系反应生成标准Gibbs自由能计算'>3.3.1 Cu-Ti-B₄C体系反应生成标准Gibbs自由能计算
• 4C体系CS反应T_ad 计算'>3.3.2 Cu-Ti-B₄C体系CS反应T_ad计算
• 3.4 本章小结
• 4C体系在DTA中的反应行为'>第4章 Cu-Ti-C和Cu-Ti-B₄C体系在DTA中的反应行为
• 4.1 前言
• 4.2 Cu-Ti-C体系
• 4.2.1 动力学影响因素及规律
• 4.2.1.1 Cu含量影响
• 4.2.1.2 Ti粉粒度的影响
• 4.2.1.3 C粉粒度的影响
• 4.2.2 Cu-Ti-C体系在DTA中的反应机制
• 4.2.2.1 20wt.%Cu-Ti-C体系在DTA中的反应机制
• 4.2.2.2 30wt% Cu-Ti-C体系在DTA中的反应机制
• 4C体系'>4.3 Cu-Ti-B₄C体系
• 4.3.1 动力学影响因素及规律
• 4.3.1.1 Cu含量的影响
• 4.3.1.2 Ti粉粒度的影响
• 4C粉粒度的影响'>4.3.1.3 B₄C粉粒度的影响
• 4C体系在DTA中的反应机制'>4.3.2 Cu-Ti-B₄C体系在DTA中的反应机制
• 4C体系在DTA中的反应机制'>4.3.2.1 20wt% Cu-Ti-B₄C体系在DTA中的反应机制
• 4C体系在DTA中的反应机制'>4.3.2.2 40wt% Cu-Ti-B₄C体系在DTA中的反应机制
• 4.4 本章小结
• 4 C体系SHS反应行为'>第5章 Cu-Ti-C和Cu-Ti-B₄C体系SHS反应行为
• 5.1 前言
• 5.2 Cu-Ti-C体系
• 5.2.1 动力学影响因素及规律
• 5.2.1.1 Cu含量的影响
• 5.2.1.2 Ti粉粒度的影响
• 5.2.1.3 C粉粒度的影响
• 5.2.2 Cu-Ti-C体系SHS反应机制
• 5.2.2.1 淬熄试样相组成
• 5.2.2.2 淬熄试样微观组织
• 5.2.2.3 Cu-Ti-C体系SHS反应机制示意图
• 4C体系'>5.3 Cu-Ti-B₄C体系
• 5.3.1 动力学影响因素及规律
• 5.3.1.1 Cu含量的影响
• 5.3.1.2 Ti粉粒度的影响
• 4C粉粒度的影响'>5.3.1.3 B₄C粉粒度的影响
• 4C体系SHS反应机制'>5.3.2 Cu-Ti-B₄C体系SHS反应机制
• 5.3.2.1 淬熄试样相组成
• 5.3.2.2 淬熄试样微观组织
• 4C体系SHS反应机制示意图'>5.3.2.3 Cu-Ti-B₄C体系SHS反应机制示意图
• 5.4 本章小结
• 第6章 Cu-Ti-C和Cu-Ti-84C体系TE反应行为
• 6.1 前言
• 6.2 Cu-Ti-C体系
• 6.2.1 动力学影响因素及规律
• 6.2.1.1 Cu含量的影响
• 6.2.1.2 Ti粉粒度的影响
• 6.2.1.3 C粉粒度的影响
• 6.2.2 Cu-Ti-C体系TE反应机制
• 4C体系'>6.3 Cu-Ti-B₄C体系
• 6.3.1 动力学影响因素及规律
• 6.3.1.1 Cu含量的影响
• 6.3.1.2 Ti粉粒度的影响
• 4C粉粒度的影响'>6.3.1.3 B₄C粉粒度的影响
• 4C体系TE反应机制'>6.3.2 Cu-Ti-B₄C体系TE反应机制
• 6.4 本章小结
• 第7章 TiC和TiC-TiB 2陶瓷颗粒局部增强钢基复合材料的组织和性能
• 7.1 前言
• 7.2 反应动力学因素对局部增强钢基复合材料组织的影响
• 7.2.1 对TiC颗粒局部增强钢基复合材料组织的影响
• 7.2.1.1 Cu含量的影响
• 7.2.1.2 C粉粒度的影响
• 2 颗粒局部增强钢基复合材料组织的影响'>7.2.2 对TiC-TiB₂颗粒局部增强钢基复合材料组织的影响
• 7.2.2.1 Cu含量的影响
• 4C粉粒度的影响'>7.2.2.2 B₄C粉粒度的影响
• 7.3 反应动力学因素对局部增强钢基复合材料性能的影响
• 7.3.1 对TiC颗粒局部增强钢基复合材料性能的影响
• 2 颗粒局部增强钢基复合材料性能的影响'>7.3.2 对TiC-TiB₂颗粒局部增强钢基复合材料性能的影响
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文及其它成果
• 摘要
• Abstract
• 致谢