TIG熔敷Ti-Si-C系统在Ti-5Al-2.5Sn表面形成陶瓷涂层的化学反应分析

采用TIG热源在钛合金表面堆焊Ti-SiC和Ti-SiC-C两种体系的粉末,形成表面陶瓷涂层.利用SEM和XRD等分析手段对两种配方陶瓷涂层的微观组织和物相进行了分析,用热力学方法计算了两种系统中各种可能发生的化学反应的Gibbs自由能变化.结果表明,Ti-SiC系统熔敷层的微观组织主要由树枝状的TiC、针棒状和菊花状的Ti₅Si₃相组成,其反应机理为:8Ti+3SiC→3TiC+Ti₅Si₃.Ti-SiC-C系统熔敷层的微观组织除了树枝状的TiC相之外,还有TiSi₂和Ti₃SiC₂,其反应机理为:6Ti+3SiC+C→Ti₃SiC₂+TiSi₂+2TiC.通过对两种系统的微观组织及化学反应分析可得出,在Ti-SiC系统中适当的添加石墨,可生成具有自润滑性能的Ti₃SiC₂相,避免Ti₅Si₃脆性相的生成.     

不同结合剂原料放电等离子烧结制备TiC/Ti3SiC2复合结合剂金刚石复合材料

分别以Ti/Si/2TiC混合粉体和Ti₃SiC₂单相粉体作为结合剂原料,采用放电等离子体烧结技术合成了TiC/Ti₃SiC₂结合剂金刚石复合材料,探讨不同的结合剂原料和保温时间对TiC/Ti₃SiC₂结合剂金刚石复合材料的物相构成、微观形貌以及磨削性能的影响。结果表明:采用Ti/Si/2TiC为结合剂原料,保温1 min时,会形成较多量的Ti₃SiC₂,Ti₃SiC₂基体与金刚石结合良好,二者之间没有孔隙;当保温5 min时,Ti₃SiC₂发生分解,基体主相转变为TiC,同时有一定量的Si,金刚石表面被侵蚀,形成凹凸不平的表面。采用Ti₃SiC₂为结合剂原料时,Ti₃SiC₂基体发生严重的分解,生成TiC和Si;金刚石与基体间存在一个过渡层,厚度约15 μm。Ti/Si/2TiC为结合剂原料保温1 min时试样的磨耗比值最大,为1 128。单相Ti₃SiC₂为结合剂的2个试样的磨耗比值约为100左右。      

Ni-Al辅助微波自蔓延烧结制备Ti3SiC2基金刚石复合材料工艺研究

为降低金刚石磨削工具的制造成本和能耗,探寻一种在低能耗下实现高性能陶瓷结合剂金刚石磨具的制备工艺,同时研究助燃剂Si和金刚石粒度等因素对样品物相组成、显微形貌和磨削性能的影响。采用Ti、Si、石墨粉和金刚石磨料作为原料,经冷压成型至生胚,通过Ni-Al辅助在微波场加热诱发Ti-Si-C体系发生自蔓延高温合成(SHS)反应以制备Ti₃SiC₂基金刚石复合材料。结果表明,高热值Ni-Al合金辅助可以缩短样品的烧结时间,还可以将诱发SHS反应的温度点控制在金刚石石墨化温度以下。在Ar保护气氛下,Ti-Si-C体系发生SHS反应,可生成Ti₃SiC₂、TiC和Ti₅Si₃等3种物相。随Si含量升高,Ti₃SiC₂相先增多后减少,当n (Ti):n (Si):n (C)=3∶1.1∶2时,复合材料的磨削性能最佳,磨耗比最高可达286.53。分析不同原料配比下的试样磨耗比差异的产生机制,认为基体组织中存在微小且分布均匀的气孔...     

Ti元素对Ti3SiC2在铜基复合材料中的分解抑制研究

三元层状Ti₃SiC₂陶瓷是一种新型的陶瓷材料，具有密度低、熔点高等特点，作为增强相可以明显改善Ti₃SiC₂/Cu复合材料的力学性能和摩擦磨损性能。然而，在烧结过程中Ti₃SiC₂发生分解，导致复合材料组织与性能发生改变。为了抑制Ti₃SiC₂的分解，提高复合材料性能，对Ti₃SiC₂颗粒表面进行多弧离子镀Ti改性，制备了界面性能优良，Ti₃SiC₂颗粒未分解的复合材料。研究了Ti₃SiC₂在复合材料的分解和Ti元素对其分解的抑制机理，分析了不同含量Ti₃SiC₂的复合材料的组织演化。结果表明，对Ti₃SiC₂表面进行镀覆Ti元素可以有效抑制Ti₃SiC₂     

钎焊温度对Ti60合金与Si3N4陶瓷接头界面组织及性能的影响

为研究钎焊温度对Ti60/Si₃N₄接头组织与力学性能的影响,采用Ag-28Cu共晶钎料在870~910℃温度区间,保温10 min条件下进行钎焊连接.利用扫描电子显微镜、能谱仪对钎焊接头界面组织进行分析,得到的典型接头界面组织结构为Ti60/Ti-Cu化合物/Ag（s,s）+Cu（s,s）/Ti-Cu化合物/Ti₅Si₃+TiN/Si₃N₄,并对钎焊接头的组织演变过程进行了分析.结果表明,随着钎焊温度的升高,Ti60侧的Ti-Cu化合物反应层与Si₃N₄陶瓷侧的Ti₅Si₃+TiN反应层厚度逐渐增加,Ag（s,s）与Cu（s,s）含量减少,同时,扩散至Si₃N₄陶瓷侧的Ti元素与液相中Cu元素反应生成Ti-Cu化合物并在Ti₅Si₃+TiN反应层中形核.剪切测试表明,在钎焊温度880℃,保温10 min工艺参数条件下获得的接头最大抗剪强度为61.7 MPa.     

SiC陶瓷真空钎焊接头界面结构及机理分析

采用Ti-Zr-Ni-Cu钎料对SiC陶瓷进行了真空钎焊,研究了SiC陶瓷真空钎焊接头的界面显微组织和界面形成机理.试验中采用扫描电子显微镜(SEM)对接头组织进行了观察,并进行了局部能谱分析.结果表明,接头界面产物主要有TiC,Ti₅Si₃,Zr₂Si,Zr(s,s),Ti(s,s)+Ti₂(Cu,Ni)和(Ti,Zr)(Ni,Cu)等.接头的界面结构可以表示为:SiC/TiC/Ti₅Si₃+Zr₂Si/Zr(s,s)/Ti(s,s)+Ti₂(Cu,Ni)/(Ti,Zr)(Ni,Cu).钎焊过程分为五个阶段:钎料与母材的物理接触;钎料熔化和陶瓷侧反应层开始形成;钎料液相向母材扩散、陶瓷侧反应层厚度增加,钎缝中液相成分均匀化;陶瓷侧反应层终止及过共晶组织形成;钎缝中心金属间化合物凝固.在钎焊温度960℃,保温时间10 min时,接头抗剪强度可达110 MPa.     

Ti6Al4V合金激光熔覆Co-Ti3SiC2复合涂层的组织和摩擦学性能

为改善Ti6Al4V合金的摩擦学性能,分别用纯Co、Co-2%Ti₃SiC₂、Co-5%Ti₃SiC₂、Co-8%Ti₃SiC₂混合粉末为原料,在Ti6Al4V合金表面激光熔覆制备复合涂层,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)以及摩擦磨损试验机分析物相组成、显微组织结构以及在常温下的摩擦学性能。结果表明:所有复合涂层与基体结合良好,伴有少部分微孔。纯Co涂层的主要物相为γ-Co、CoTi、CoTi₂等,而Co-Ti₃SiC₂涂层物相包括γ-Co、CoTi、CoTi₂、TiC、Ti₅Si₃和残留的Ti₃SiC₂。涂层的硬度相对基体提高了1.90~2.15倍,而耐磨性能相应提高了3.02~5.44倍。     

钎料中Ti元素含量对Si3N4/Si3N4接头界面结构及性能的影响

在900℃保温10 min的工艺条件下采用Ti含量不同的AgCu+Ti+nano-Si₃N₄复合钎料（AgCu_C）实现了Si₃N₄陶瓷自身的钎焊连接,并对不同Ti元素含量的接头界面组织及性能进行了分析.结果表明,接头典型界面结构为Si₃N₄/TiN+Ti₅Si₃/Ag_（s,s）+Cu_（s,s）+TiN_P+Ti₅Si_3P/TiN+Ti₅Si₃/Si₃N₄.随着复合钎料中Ti元素含量的增加,钎缝中团聚的纳米Si₃N₄颗粒逐渐减少,母材侧的反应层厚度逐渐增加后趋于稳定.当Ti元素含量高于4%时,钎缝中形成了类似于颗粒增强金属基复合材料的界面组织;当Ti元素含量达到10%时,有少量Ti-Cu金属间化合物在钎缝中形成;钎焊接头的抗剪强度随着Ti元素含量的增加而呈现先增加后降低的变化趋势,当Ti元素含量为6%时接头的抗剪强度达到最高值,即75 MPa.     

氩弧熔敷Ti-Si-C系陶瓷涂层中物相的热力学预测

利用热力学原理推导出反应焓和反应吉布斯（Gibbs）自由能与温度的关系式.根据Ti-Si-C系相图,对用钨极氩弧（TIG）热在钛合金表面熔敷形成涂层过程中可能的12个化学反应进行热力学分析.热力学计算得出,Ti元素能与SiC,Si及C元素反应生成TiC,Ti₃SiC₂相和Ti₅Si₃,TiSi₂金属间化合物.理论分析结果表明,在TIG熔敷条件下,通过改变不同的原材料初始组成,可以采用热力学分析方法预测熔覆层的物相组成.试验结果表明,预测结果与试验结果符合得很好.     

连接温度对TiAl/Ti3AlC2扩散焊接头界面结构及性能的影响

采用Ti/Ni复合中间层实现了TiAl合金和Ti₃AlC₂陶瓷的扩散连接,利用SEM,XRD等分析方法对接头界面结构进行了分析.结果表明,TiAl/Ti₃AlC₂接头典型界面结构为TiAl/Ti₃Al+Al₃NiTi₂/Ti₃Al/α-Ti+Ti₂Ni/Ti₂Ni/TiNi/Ni₃Ti/Ni/Ni₃(Ti,Al)/Ni₃Al+TiC_x+Ti₃AlC₂/Ti₃AlC₂.随着连接温度的升高,TiAl/Ti界面处的Ti_ss层逐渐减小,Ti₃Al化合物层逐渐变厚;TiNi化合物层厚度显著增加,Ti₂Ni和Ni₃Ti层厚度基本保持不变.接头抗剪强度随连接温度升高先增加后减小,当连接温度为850℃时,接头的抗剪强度最高可达到85.3 MPa.接头主要在Ni/Ti₃AlC₂界面及Ti₃AlC₂基体处发生断裂.     

Reactions between Ti and Ti3SiC2 in temperature range of 1273-1573 K

The reactions of Ti₃SiC₂ and Ti in the temperature range of 1 273–1 573 K under a pressure of 20 MPa were investigated. The results confirm that Ti reacts with Ti₃SiC₂ above 1 273 K and new phases like TiC_x, Ti₅Si₃ and TiSi₂ are identified. The reactions are closely related to temperature and content of Ti₃SiC₂ in Ti. During the reaction process, Ti₃SiC₂ decomposes in two different modes. The first is caused by the de-intercalation of Si from it and the TiC_x is formed by the remained titanium and carbon; the second is that the carbon is separated from the Ti₃SiC₂ and reacts with titanium furthermore. The diffusing of silicon is believed to be the determinant ingredient of the reaction.     

Effects of TiC addition on formation of Ti3SiC2 by self-propagating high-temperature synthesis

Formation of Ti₃SiC₂ was conducted by self-propagating high-temperature synthesis (SHS) from both the elemental powder compacts of Ti:Si:C = 3:1:2 and the TiC-containing samples compressed from powder mixtures of Ti/Si/C/TiC with TiC content ranging from 4.3 to 33.3 mol%. The effect of TiC addition was studied on combustion characteristics and the degree of phase conversion. For the elemental powder compacts, with the progress of combustion wave the sample experiences substantial deformation, including axial elongation and radial contraction. The extent of sample deformation and flame-front propagation velocity were considerably reduced for the samples with TiC addition, because the dilution effect of TiC lowered the reaction temperature. Two reaction mechanisms were adopted to explain the formation of Ti₃SiC₂, one involving the reaction of a Ti–Si liquid phase with solid reactants for the elemental powder compact and the other dominated by the interaction of solid-phase species for the TiC-containing sample. For all products synthesized in this study, the XRD analysis identifies formation of Ti₃SiC₂ along with a major impurity TiC and a small amount of Ti₅Si₃. The resulting Ti₃SiC₂ is typically elongated grains. Based upon the XRD profile, the Ti₃SiC₂ content at a level of 71.5 vol.% was obtained in the product from the elemental powder compact. With the addition of TiC, an improvement in the yield of Ti₃SiC₂ was observed and an optimal conversion reaching 85 vol.% was achieved by the sample with 20 mol% of TiC. However, further increase of the TiC amount led to a decrease in the Ti₃SiC₂ content, because of the low reaction temperature around 1150 °C.     

采用Cu-Ti钎料高温连接Si3N4陶瓷

采用Cu80Ti20钎料在1413~1493 K的温度,保温时间5~15 min的工艺条件下分别进行了Si₃N₄陶瓷的高温活性钎焊,在所选工艺条件下均成功得到了无明显缺陷和裂纹的钎焊接头,通过对接头组织和成分的分析,接头的组成为Si₃N₄陶瓷/TiN界面反应层/Cu-Ti化合物+Ti5Si3/TiN界面反应层/Si₃N₄陶瓷.在1413 K保温10min条件下,固溶体中的Ti元素扩散至钎缝与母材的界面并发生反应,形成了致密连续的厚度约为1 μm的反应层.获得了钎焊温度、保温时间、钎缝宽度及界面层厚度等对接头强度的影响规律,在试验中所采用的工艺参数条件下,接头抗剪强度达到了105 MPa.     

碳化硅复合材料与碳钢钎焊接头的抗剪强度及微观结构

采用磁控溅射镀膜技术对碳/碳化硅复合材料(C/SiC)表面进行镀Ti金属化,以AgCu₂₈为钎料,无氧铜为中间层与碳钢进行钎焊连接. 研究无氧铜中间层、Ti膜厚度和钎焊温度对接头组织形貌和力学性能的影响. 结果表明,采用无氧铜中间层可有效降低接头的残余应力,提高接头强度,并阻挡C/SiC复合材料中的Si元素在钎焊过程中扩散至碳钢侧,防止了碳钢界面FeSi_x恶性反应层的形成. 在试验范围内,钛膜厚度和钎焊温度与接头抗剪强度之间均存在峰值关系. 860 ℃,3 μm Ti膜接头平均抗剪强度最高,达到25.5 MPa. 由剪切试样碳钢侧断口,可观察到大量平行断口方向的碳纤维和碳纤维脱粘坑. 断裂发生在C/SiC复合材料内部距界面约300 μm处. C/SiC界面反应产物以Ti₅Si₃为主,含少量TiC. 钎缝中有TiCuSi相生成.     

High temperature oxidation behavior of Ti3SiC2-based material in air

The oxidation behavior of Ti₃SiC₂-based material in air has been studied from 900°C to 1200°C. The present work showed that the growth of the oxide scale on Ti₃SiC₂-based material obeyed a parabolic law from 900°C to 1100°C, while at 1200°C it followed a linear rule. The oxide scale was generally composed of an outer layer of coarse-grained TiO₂ (rutile) and an inner layer of fine-grained TiO₂ and SiO₂ (tridymite) above 1000°C. A discontinuous coarse-grained SiO₂ layer was observed within the outer coarse-grained TiO₂ layer on the samples oxidized at 1100°C and 1200°C. Marker experiments showed that the oxidation process was controlled by the inward diffusion of oxygen, outward diffusion of titanium and CO or SiO, and that internal oxidation predominated. The TiC content in Ti₃SiC₂ was deleterious to the oxidation resistance of Ti₃SiC₂.     

Ti3 SiC2 复合材料耐磨性能研究

Ti₃SiC₂是一种六方晶体结构的特殊陶瓷材料,兼具金属与陶瓷的优异性能,拥有优良的高温强度、抗氧化性及可加工性等优点,广泛应用于耐磨润滑材料。本文综述其同金属和SiC、金刚石、TiC、Al₂O₃等复合后的优异性能和广阔应用,并展望其在和金属、陶瓷、金刚石等材料复合领域的研究方向。