金属基复合材料界面反应控制研究进展

金属基复合材料可以通过基体合金成分改变、增强体的形态和种类选择及工艺控制等要素获得不同的材料特性,因而具有很强的可设计性。在金属基复合材料性能设计中,界面状态的控制是核心内容。归纳了作者近几年在金属基复合材料界面控制研究方面的研究工作,包括利用工艺技术方法控制Cf／Al有害界面反应,获得TiB2／Al自润滑界面;利用基体合金化方法控制SiC／Al和Cf／Al有害界面反应,获得W／Cu固溶体界面等方面的理论与实践。研究表明,采用材料制备工艺和基体合金化等方法控制界面反应热力学和动力学过程可以实现抑制有害界面产生及获得有益界面,而且是十分简捷、有效和低成本的方法。     

SiC纤维束界面层连续化学气相沉积设备研制

SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、高强韧性的优异性能,是新型航空发动机热端部件的理想结构材料。界面层决定了SiCf/SiC复合材料增韧效果等关键性能,其制备对于复合材料工程化应用至关重要。我国在SiC纤维束界面层制备的研究应用方面明显滞后,存在的主要问题之一是缺乏可连续化学气相沉积制备均匀、一致、质量稳定的界面层的设备。针对该问题,设计了可在SiC纤维束基体上连续沉积界面层的设备;通过纤维运送机构实现了SiC纤维束的连续运送,且速度、张力可控,同时对设备的低压密封系统提出了气氛分隔设计,实现了将反应气氛约束在反应区内的目的,并通过模拟仿真进行了验证。     

亚规则溶体模型在金属基复合材料界面反应中的应用（英文）EI北大核心CSCD

金属基复合材料的界面反应是影响复合材料综合性能的重要因素之一。通过使用亚正规溶体模型来分析固液体界面反应的热力学研究。这一计算模型是用来揭示基体合金中加入的新合金元素对金属基复合材料界面反应的影响。结合实际研究中碳纤维增强铝镁合金复合材料,向基体合金中增加镁元素分析对Cf/Al-Mg复合材料界面反应的影响,并得出结论:合金中随着镁元素增加,可抑制碳纤维增强复合材料界面处脆性相Al4C3的生成。     

纤维增强金属基复合材料耐磨机制的研究

根据纤维增强金属基复合材料的结构特点，研究了界面在复合材料磨损过程中的作用，磨损时，复合材料的界面可消耗纹扩展能量，阻滞裂纹扩展，氧化铝短纤维增强硅合金合材料具有优异的耐磨性；基体中的合金元素有利于形成良好的界面，改善复合材料的耐磨性。     

亚规则溶体模型在金属基复合材料界面反应中的应用（英文）

金属基复合材料的界面反应是影响复合材料综合性能的重要因素之一。通过使用亚正规溶体模型来分析固液体界面反应的热力学研究。这一计算模型是用来揭示基体合金中加入的新合金元素对金属基复合材料界面反应的影响。结合实际研究中碳纤维增强铝镁合金复合材料,向基体合金中增加镁元素分析对Cf/Al-Mg复合材料界面反应的影响,并得出结论:合金中随着镁元素增加,可抑制碳纤维增强复合材料界面处脆性相Al4C3的生成。     

综述:SiC/Al界面反应与界面结构演变规律及机制

高温制备过程中熔融Al与SiC直接接触,二者间界面反应发生的可能性与多向性直接影响复合材料的界面结合状态。全面了解Al和SiC之间的界面结合、界面反应、界面结构等对于提高材料性能有着极其重要的作用。尽管人们对Al及其合金与SiC之间的润湿性和界面反应的研究很多,但很多结论仍存在分歧,且对Al与SiC真实润湿性的认识不够全面。Al与SiC之间界面反应发生的反应程度与反应时间、温度有很大关系,但是对于反应参数与反应程度之间的具体对应关系还没有系统的综述。合金元素的添加可以减弱界面反应的发生,然而在不同反应条件下,所添加合金元素的量与界面反应程度的关系,以及合金元素对于界面反应的影响机制还没有明确报道。本文系统地综述在确定的反应时间与反应温度条件下的界面反应、界面产物以及反应产物演变规律及机制等,Al以及添加不同合金元素的合金与SiC界面情况及界面润湿行为影响机制。从界面润湿、界面反应以及界面产物角度,为制备复合材料过程中所选择的工艺参数提供实验依据。     

多孔SiC陶瓷增强金属基复合材料的制备

采用纸质材料制成三维管状模型,经过纸质模型碳化、反应性渗硅处理获得多孔SiC陶瓷预制体,选择铸造性能好、成形缺陷小的铸铁作为金属基体,采用铸渗法制备了SiC陶瓷增强金属基复合材料,通过XRD,SEM等分析手段研究了多孔SiC陶瓷和复合材料的显微组织和界面结构.研究表明,纸质模型800C温度碳化,反应性渗硅温度1600℃时制备的多孔SiC陶瓷预制体三维结构稳定,烧结后变形小,微观组织结合紧密;通过铸渗法制备的SiC陶瓷增强金属基复合材料界面结合良好,无明显缺陷.该方法中增强相结构可设计性好,铸渗法制备多孔陶瓷金属基复合材料质量高,为多孔陶瓷增强金属基复合材料的获得提供了试验新方法.     

多孔SiC陶瓷增强金属基复合材料的制备

采用纸质材料制成三维管状模型，经过纸质模型碳化、反应性渗硅处理获得多孔SiC陶瓷预制体，选择铸造性能好、成形缺陷小的铸铁作为金属基体，采用铸渗法制备了SiC陶瓷增强金属基复合材料，通过XRD，SEM等分析手段研究了多孔SiC陶瓷和复合材料的显微组织和界面结构。研究表明，纸质模型800℃温度碳化，反应性渗硅温度1600℃时制备的多孔SiC陶瓷预制体三维结构稳定，烧结后变形小，微观组织结合紧密；通过铸渗法制备的SiC陶瓷增强金属基复合材料界面结合良好，无明显缺陷。该方法中增强相结构可设计性好，铸渗法制备多孔陶瓷金属基复合材料质量高，为多孔陶瓷增强金属基复合材料的获得提供了试验新方法。     

SiC纤维增强体对叠层复合材料结构性能的影响

针对目前航空航天材料轻量增韧的要求,提出将SiC纤维应用于金属基叠层复合材料,通过将叠层结构与纤维增强结构相耦合的方式,采用箔-纤维-箔法结合真空热压技术制备SiC_f/Ti/Ti2AlNb叠层复合材料,研究其组织、力学性能及失效机理,并与未添加SiC纤维的叠层材料进行对比。结果表明,加入SiC纤维增强体后,SiC_f/Ti/Ti2AlNb叠层复合材料在承载过程中,SiC纤维能够改变裂纹扩展方向,延长裂纹扩展路径,从而提高材料韧性。与Ti/Ti2AlNb叠层复合材料相比,由于SiC纤维的加入,SiC_f/Ti/Ti2AlNb叠层复合材料的密度降低了约3%,高温抗拉强度提高了22%,弯曲强度提高了19%,断裂韧性提高了3倍,冲击韧性提高了15%,断裂韧性提高了3倍。     

颗粒增强金属基复合材料的制备技术和界面反应与控制

金属基复合材料被誉为２１世纪的材料,其中短纤维或陶瓷颗粒增强金属基复合材料（ＰＲＭＭＣｓ）更具有吸引力。铝合金和镁合金是基体材料的最佳候选者,而陶瓷颗粒由于具有优异的性能倍受青睐。在金属基体中加入增强相,可以提高材料的强度、弹性模量、硬度、耐磨性,降低热膨胀系数,改善高温性能和抗疲劳性,然而会导致材料的塑性、韧性下降。近年来,发展了许多制备技术,根据工艺的温度可分为三类：液相工艺、固相工艺和液－固两相工艺。增强相与基体之间的界面反应取决于制备工艺、增强相与基体材料的组成、温度和时间等因素,反过来又对制备工艺和材料的性能产生重要的影响,控制界面反应使之有利于制备工艺和材料的性能是研究的重要目标之一。本文重点对颗粒增强金属基复合材料研究中制备技术和界面反应与控制等热点问题进行分析讨论。     

FABRICATION OF Ti/SiC MMCs BY VACUUM HOT PRESSING WITH AID OF HYDROGEN

1.IntroductionThemechbocalpropertiesofmetaJmatrircomposites(MMCs)arelargelycontrolledbythebounda-rystateofthematrir/fiberiliterfaCe,whichplaysanimport8ntroleinloadtransferinMMCs.TheinterfaCereactionproductsinc0ntinu0usSiCfiberreinforcedtitaulummatrircomp0sitesareusuallybrittleTi5Si3andTiC[1].Accordingt0Reevesetal'swork[z],areactionzoneatreinforcement/matririllterfacewiththicknessofm0rethan1pmresultedinseriousdegradation0ftheinterfaCestrengthandmechanicalpr0perties0fthecomposite.Therefor…     

SiC纤维表面去碳处理对PIP-SiCf/SiC复合材料力学性能以及界面影响

采用强度测试、SEM、HRTEM等分析测试手段对纤维表面去碳前后SiC纤维强度、复合材料力学性能、纤维表面形貌、复合材料断口形貌以及复合材料界面特征进行分析表征.结果表明,去碳处理后,纤维表面的固有缺陷暴露出来,纤维强度下降约15%,但由其制备的复合材料强度下降只有原纤维制备复合材料的1/6;复合材料断口非常平整,纤维...     

Study on SCS-6/Ti-6AI-4V Composite

Fiber reinforced titanium matrix composite is considered as a superior material for advanced lightweight aerospace application. Fiber/matrix interfacial reaction has a significant effect on the mechanical properties of the composites. The SCS-6 SiC fiber reinforced Ti-6Al-4V matrix composite was prepared by foil-fiber-foil (FFF) method at ONERA, France. Stripe samples were cut from the as-consolidated composites and sealed in silicon carbide tube. One group of the samples were annealed for 58h at 550℃, 700℃, 850℃ and 1000℃, the other group were annealed at 1000℃for 43h, 58h, 80h, 100h, respectively. The interface investigation indicated that the connection between SiC fiber and the matrix is favorite in the composite. And the interface width for as-consolidated composite is only about 0.8μm. The interface width increase with the prolong of annealing time and the increase of annealing temperature. But the increment for the latter is not as high as the former one, which means the annealing time may be the prior factor to influence the interface reaction. The interface width for the composite annealed at 1000℃ for 100h is about 20μm. Interface composition of the composite detected by EDX is as follows: Ti 87.58 wt %, V 4.91 wt %, Al 4.06wt%, Si 3.45 wt %.     

Processing and properties of metallic and ceramic matrix composites by a novel spraying technique

A concurrent fiber winding and low pressure plasma spraying process has been developed to manufacture multi-ply fiber reinforced metallic and ceramic matrix composites in a single spraying operation. In this study, four-layer SiC fiber reinforced Ti−6Al−4V and SiAlON−MoSi₂ composites have been manufactured, and the composite coupons have been evaluated in terms of fiber breakage, fiber distribution, matrix microstructure, interfacial reaction, and fiber damage. This novel spraying route enabled a wide range of composite systems to be produced, offering rapidly solidified matrix microstructure, regular fiber spacing and minimized interfacial reaction. Fiber damage was considered as a potential major disadvantage, but compared with the more widely investigated foil-fiber-foil route, this novel spraying approach resulted in less degradation in fiber strength. Further minimization of fiber damage could be achieved by precise control over processing conditions and large damage tolerance of fiber coating.     

SiCf/Ti-6Al-4V复合材料界面反应动力学

SiC纤维增强Ti基复合材料（SiCf／Ti）容易发生界面反应，从而影响其力学性能。开展界面反应和动力学的研究，对于SiCdTi复合材料的制备和服役具有指导意义。采用扫描电镜、透射电镜和X射线衍射分析了SICf／Ti-6Al—4V复合材料的界面反应及其动力学，发现SiC纤维的C涂层与Ti-6Al—4V反应形成粗晶粒的和细晶粒的TiC，长期高温热处理使得界面反应加剧，TiC层加厚，当C涂层完全消耗后，界面反应层中除了TiC外，还出现了Ti3SiC2。研究表明，界面反应层的加厚受元素扩散控制，服从抛物线规律，求出的动力学参数Q为268．8kJ／mol，k为0．0057m/s1/2。     

粉末冶金法SiC_p/Mg基复合材料的力学性能和阻尼性能研究

采用粉末冶金法制备了SiC颗粒增强纯镁基复合材料,研究了它的力学性能与阻尼性能。SiC颗粒的加入显著提高了纯镁基复合材料的力学性能和阻尼性能。其中,10μm SiCp/Mg基复合材料的力学性能最好;室温下复合材料的阻尼性能优于纯镁的;纯镁及其SiC颗粒增强复合材料的内耗-温度曲线在100℃～150℃的温度范围内均出现与位错有关的内耗峰,随后随温度的升高内耗值继续增加,20μm SiCp/Mg基复合材料在200℃～250℃的温度范围内出现与界面滑移有关的内耗峰。     

Interface and Wear Resistance of SiC Ceramic Column Grid Array Reinforced High-Chromium Cast Iron Composite Pretreated with TiH2

利用TiH2粉末膏剂涂覆和在真空下1000或1400℃保温20 min的预处理工艺对反应烧结SiC陶瓷柱进行了表面预处理,再将预处理好的SiC陶瓷柱固定在石墨板上,随后采用金属浇铸工艺制备了一种具有高度陶瓷增强体宏观均匀性、可靠性和可设计性的SiC陶瓷柱阵列增强高铬铸铁复合材料。陶瓷涂层和复合材料界面分析表明:1400℃为较优的SiC表面预处理温度,预处理后SiC表面形成一层可靠的金属性复合层。该复合层在高温浇注过程中不会被溶解,可有效抑制高铬铸铁与SiC陶瓷的界面反应,从而形成无脱层、优良的复合材料陶瓷/金属磨损界面。与该复合材料的金属基体相比,由于SiC陶瓷柱的有效添加,经表面处理后不同陶瓷含量的SiC/高铬铸铁复合材料的耐磨性能均显著提高。     

Microstructures and mechanical properties of Al 2519 matrix composites reinforced with Ti-coated SiC particles

Ti-coated SiC_p particles were developed by vacuum evaporation with Ti to improve the interfacial bonding of SiC_p/Al composites. Ti-coated SiC particles and uncoated SiC particles reinforced Al 2519 matrix composites were prepared by hot pressing, hot extrusion and heat treatment. The influence of Ti coating on microstructure and mechanical properties of the composites was analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). The results show that the densely deposited Ti coating reacts with SiC particles to form TiC and Ti₅Si₃ phases at the interface. Ti-coated SiC particle reinforced composite exhibits uniformity and compactness compared to the composite reinforced with uncoated SiC particles. The microstructure, relative density and mechanical properties of the composite are significantly improved. When the volume fraction is 15%, the hardness, fracture strain and tensile strength of the SiC_p reinforced Al 2519 composite after Ti plating are optimized, which are HB 138.5, 4.02% and 455 MPa, respectively.     

The concept of a strong interface applied to SiC/SiC composites with a BN interphase

Strong interfaces have been shown to allow improvement of the mechanical properties of ceramic matrix composites (CMC). The concept of a strong interface has been established in SiC/SiC composites with pyrocarbon (PyC) or multilayered (PyC/SiC) fiber coatings (also referred to as interphases). The present paper reports an attempt directed at applying the concept of a strong interface to SiC/SiC composites with a BN coating (referred to as SiC/BN/SiC). Fiber bonding and frictional sliding were investigated by means of push-out tests performed on 2D-composites as well as on microcomposite samples, and tensile tests performed on microcomposites. The stress–strain behavior of the SiC/BN/SiC composites and microcomposites is discussed with respect to interface characteristics and location of debonding either in the coating or in the fiber/coating interface.