Ti/Al固相扩散反应行为表征及动力学研究

本研究在Ti和Al均过量时,表征了Ti/Al在520℃~630℃范围内不同时间下的固相扩散反应行为。结果发现,当试样退火46小时后,Ti/Al界面的反应产物为单一相TiAl3,而且TiAl3/Al界面上的TiAl3生长速度比Ti/TiAl3界面上的TiAl3生长速度快。此外,本研究建立了TiAl3生长动力学模型,Ti/Al扩散反应激活能为170.1 kJ/mol,动力学指数为n=0.5,TiAl3生长随时间呈抛物线规律增长,利用Ti/Al复合粉末体作为试验材料,证明了所建立的TiAl3生长动力学方程的正确性。     

Ti/Al固相-固相原位反应过程研究

利用超声固结试验制备Ti/Al金属层状复合材料,以光学显微镜观察了材料的微观形貌。采用固相-固相反应方式进行原位反应获得了体积分数不同的层状复合材料,通过EDS以及XRD对Ti/Al原位反应产物进行能谱分析,确定了反应产物的相组成。采取SEM测量反应产物Al_3Ti的层间厚度,建立Al_3Ti的生成量与反应时间的关系。结果表明,在Ti/Al层状复合材料原位反应过程中,当Al未反应完全时,金属间化合物Al_3Ti是唯一产物。在原位反应初期,反应产物积累慢,随着反应时间的推移,反应产物增多且增长速率逐渐增快,反应产物与反应时间呈幂指数函数的关系。     

Mg/Al固相连接镁铝元素扩散行为的分析

以AZ31镁合金和纯铝为研究对象,利用电子万能压力机在不同的加热温度下对镁和铝异种金属进行连接,并用扫描电镜、X射线衍射仪对Mg/Al接头界面组织结构进行了观察和分析。结果表明,当加热温度为440℃时,Mg/Al接头界面结合良好,Mg/Al接头过渡区附近主要形成Mg2Al3和Mg17Al12金属间化合物。     

Ti6Al4V合金吸氢行为研究（英文）

研究了Ti6Al4V合金在不同置氢温度、保温时间和氢压下的吸氢行为,利用光学显微镜研究了氢在钛合金中的分布规律。结果表明,Ti6Al4V合金的氢含量是由置氢温度、保温时间和氢压来控制的。随着置氢温度的升高,氢含量先增加后降低。随着氢压的增加,氢含量直线增加。钛合金的吸氢过程实质上是氢的扩散过程,随着保温时间的增加,合金中的氢分布逐渐趋于一致。     

激光沉积Mg_2Si/Al的原位反应动力学（英文）

通过激光沉积制备了原位Mg_2Si/Al复合材料,建立了其动力学模型。结果表明,激光功率(温度)、富Mg层厚度、Si颗粒大小及A1含量是影响原位生成Mg_2Si/Al复合材料的速率及程度的主要因素。增加激光功率(温度)、降低富Mg层厚度、缩小Si颗粒大小及减少Al含量使原位反应的速率及程度提高。     

Ti/Al扩散偶中间相长大过程的数值模拟(英文)

为研究固态Ti/Al扩散偶的扩散反应,将Ti/Al箔构成的扩散偶分别在525,550,575和600°C退火1～40h。实验结果表明TiAl3是Ti/Al界面处生成的唯一相。TiAl3的优先长大是界面热力学作用的结果。TiAl3相主要向Al箔一侧长大,其长大过程符合抛物线规律。在晶界扩散的基础上,用有限差分方法模拟TiAl3相的长大过程,模拟结果和实验结果吻合较好。     

基于固液扩散偶研究Mg-40Al与Mg-20Ce的界面反应（英文）

研究了Mg-40Al与Mg-20Ce固液界面在475、500和525℃下保温5～30 min的界面反应和扩散层的生长动力学。结果发现,在扩散层中由于Al元素和Ce元素反应生成Al_(11)Ce3、Al_3Ce和Al_2Ce金属化合物。金属化合物的体积分数随着扩散温度的升高而增加。扩散层的生长满足抛物线生长规律,扩散层的扩散激活能为(42±3.7)kJ/mol。实验研究的固液扩散为理解合金熔炼过程中金属化合物的形成提供了理论基础。     

Ti/Cu固相相界面扩散溶解层形成机制的研究

采用镶嵌式扩散偶,在不同退火处理条件下,对Ti/Cu扩散溶解层的形成机制进行了研究.利用扫描电子显微镜背散射电子像和二次电子像观察和分析扩散溶解层的形态和结构,从扩散、溶解与结晶角度研究扩散溶解层的形成机制.结果表明:在不同的扩散温度和时间下,Ti/Cu相界面扩散溶解层的形成是Ti和Cu固相扩散、溶解与结晶的结果;相界面处将几乎同时结晶出不同层数、厚度和结构的扩散溶解层;Cu或Ti原子百分含量相对较低的Cu-Ti化合物优先形成,究竟形成一个还是几个相层,这主要由Cu在Ti中和Ti在Cu中的的浓度分布决定.Ti和Cu在700℃固相扩散时,原子扩散流为Cu扩散进入Ti,Ti很少扩散进入Cu,因此,除了Cu4Ti相层在Cu丝上形成以外,其余5个相层都在Ti基体上形成;Cu2Ti和Cu3Ti2以及Cu4Ti3和CuTi化合物相层几乎同时形核并以"竹笋状"方式相向长大,互相交错重叠,表现出比较明显的浮凸;另外,Cu4Ti和CuTi2化合物相层以"平面状"方式长大.     

扩散连接Ti2AlNb/GH4169反应动力学研究

研究了Ni+Nb为中间层对Ti2AlNb与GH4169真空扩散连接反应动力学过程.结果发现:主要影响接头剪切强度的Ni6Nb7层厚度存在一个最佳值,通过最小二乘法拟合得最佳厚度为3.36 um.根据修正的有效生成热理论和有效吉布斯自由能理论均预测Ni6Nb7为Ni-Nb固-固界面反应的初生相,因此在连接过程中Ni6Nb7相的出现是不可避免的.由于Ni6Nb7的生长速度低于Ni3Nb,因此可以通过优化工艺参数来控制Ni6Nb7层的厚度来提高接头的力学性能.通过Ni6Nb7层最佳厚度和生长速率计算可得知最佳保温时间约为49.5 min,实验结果表明,连接温度1050℃,压力20MPa,保温时间为49.5 min时,Ni6Nb7厚度为3.37μm,接头剪切强度达到468.2MPa.     

Ti6Al4V合金等温压缩时的扩散相变（英文）

利用Compu ThermPandat?软件及其自带的Ti数据库完成对双相Ti合金的热力学计算。对Ti6Al4V(5级)合金进行等温压缩,合金的初始组织为由层片状的(α+β)和β相组成的层片团结构。采用X射线衍射分析、扫描电镜和透射电镜表征材料的显微组织演化和相转变。用吉布斯自由能-温度和相含量-温度关系图预Ti_3Al或α_2 (hcp)相的存在、稳定性和相变温度。等温压缩后,(α+β)相区的特征为α/β片层的重新定向和局部扭曲以及在α/β界面区的开裂。而在α→β相变区,β相和α/β相界发生变形,大量的α相转变为β相,板条状α相发生马氏体相变和球化。在β相区,α相完全转变为β单相。结果表明,变形Ti6Al4V合金中形成Ti_3Al或α_2(hcp)、β(bcc)和α(hcp)相以及密排六方α'和斜方α'相。变形温度对屈服应力水平、动态回复和动态球化均存在影响。     

冷轧Ti/Al层状复合材料固-液反应过程中的界面微观组织演变（英文）

将冷轧Ti/Al层状复合材料在675～750℃下进行不同时间的退火处理,退火过程中钛和铝都保持过剩,研究了Ti/Al层状复合材料的界面微观组织演变。结果表明:Ti和Al的界面层由2个亚层组成,其中一个为紧密的TiAl_3亚层,其微观结构为紧密的TiAl_3层,其中分布着随机取向的充满Al的裂纹,另一个为颗粒状的TiAl_3亚层,其微观组织结构是颗粒状的TiAl_3分布在Al基体中。在不同的退火温度和时间条件下,紧密TiAl_3亚层的厚度几乎没有变化,但是颗粒状亚层的厚度随着退火温度及时间的增加而增加;另外,界面层中的TiAl_3颗粒的体积分数在不同的温度下均随着退火时间的延长而下降。因此提出了反应扩散模型来描述界面层的形成机理,在此模型中,TiAl_3相是化学反应和扩散的结果,并且也考虑了TiAl_3相的溶解。计算结果表明TiAl_3相的形成与生长由化学反应控制,其等效厚度与退火时间之间遵循线性规律,这主要是因为Ti和Al原子能够快速地通过紧密的薄TiAl_3亚层。     

Ti和Al反应的动力学分析

以Ti粉、纯Al和钛纤维为原料,采用压力浸渗法研制了Tif+Tip/Al复合材料,利用XRD和SEM测试分析了复合材料的相组成和显微组织,利用EDX测试分析了不同反应温度下纤维周围反应层中Al的浓度分布。计算了Ti和Al间的扩散系数,确定了扩散系数与温度和成分的变化规律,求出扩散激活能。结果表明,随着反应温度的升高,纤维周围的反应层厚度逐渐增大,各相的互扩散系数逐渐增大,各相的扩散激活能存在如下关系:Q_(Ti_3Al)〉Q_(TiAl_2)〉Q_(TiAl)〉Q_(TiAl_3)。     

Al/Ti的扩散焊工艺

根据Al合金与Ti合金在高温下具有一定的互溶性原理,采用Ti热浸Al工艺利用扩散焊接方法进行Al/Ti材料的焊接. 焊接后构件抗拉强度达到180 MPa,焊缝性能稳定,具有一定的实际应用价值.     

SiC/Fe3Al界面的固相反应

用扫描电子显微镜、电子能谱仪和X射线衍射仪对SiC／Fe3Al界面固相反应区的成分分布、微结构及相组成等进行分析研究。结果表明：在1050℃和1100℃的热处理温度下经10h扩散反应后,SiC／Fe3Al界面固相反应区由Fe3Si、石墨态C和Fe-Si-Al三元化合物（FeSiAl5及FeSi3A19）构成,SiC／Fe3Al界面固相反应区由调整的C沉积物区（M-CPZ）和均匀的C沉积物区（R-CPZ）（从SiC侧至Fe3Al侧）构成,调整的C沉积物区的形成归因于SiC的不连续分解。     

Ti6Al4V表面等离子Cu/Ni合金化（英文）

利用等离子表面合金化技术对Ti6Al4V表面进行Cu/Ni合金化处理,采用SEM研究了温度对合金层微观结构的影响,采用GDS和XRD对合金层的成分和相组成进行测试。结果表明,850℃制备的合金层与基体冶金结合,厚度约7μm,主要由Ti,Ti2Ni,TiNi,Cu0.81Ni0.19和CuTi相组成。抗菌结果表明,合金化试样在12 h内展现了优良的抗菌性能。表面合金层也显著提高了钛合金的耐磨性能。     

Al/Cu/Al接触反应液相行为及其连接

采用模拟的方法,系统研究了Al/Cu接触反应及其液相行为的特点,并运用金属学中表面扩散和晶界扩散等理论进行了理论探讨。研究结果表明,在接触反应中Al/Cu共晶液相的行为包括：一方面液相沿Al基体表面优先反应铺展;另一方面在基体深度方向上也有明显的晶间渗透作用。其中前者可以促进接头间隙内产生均匀的液相填充层;后者则是接头牢固接合的保障。同时为确定Al/Cu/Al接触反应钎焊工艺参数,研究了工艺参数对接触反应中共晶液相铺展行为的影响,结果表明570－580℃的反应温度和15min的保温时间是Al/Cu接解反应钎焊比较适合的工艺参数。在此基础丰,本文采用Cu箔作中间层进行Al的接触反应钎焊,得到良好Al钎焊接头。     

Al/Ti扩散层形成的扩散溶解机制

分别在铝组元熔点之下和之上对Al/Ti镶嵌式扩散偶进行退火热处理,形成固-固和固-液扩散偶.利用光学显微镜、扫描电子显微镜和电子探针显微分析仪观察和分析Al/Ti固-固和固-液扩散层的形态和结构,并对其形成微观机理进行了研究.结果表明,Al/Ti固-固扩散层由一层TiAl₃构成;固-液扩散层由TiAl₃单相层与TiAl₃和Al(Ti)固溶体双相层两层构成,双相层TiAl₃和Al(Ti)固溶体的形态自铝向钛呈现规律性变化.Al/Ti固-固TiAl₃扩散层和固-液TiAl₃单相层的形成都是铝扩散溶解到钛中形成以钛为溶剂的Al-Ti固溶体结晶形成的;而Al/Ti固-液TiAl₃和Al(Ti)固溶体双相层是钛先溶解再扩散到液态铝中形成的Al-Ti液溶体结晶形成的.铝液中Ti原子浓度自铝向钛逐渐升高,导致了双相层TiAl₃和Al(Ti)固溶体形态的规律性变化.     

Al/Ti液/固界面扩散溶解层形成机制及生长规律

采用镶嵌式扩散偶技术制备Al/Ti扩散偶,在Al熔点以上Ti熔点以下进行扩散热处理,研究Al/Ti液/固界面扩散溶解层的组织结构演变、形成机制及生长规律。实验结果表明,热处理后的扩散溶解层为TiAl3颗粒 和含少量Ti的铝基固溶体的混合组织;TiAl3相是热处理过程中最先出现也是唯一出现的新生相;扩散溶解层的生长机制和生长方向随热处理时间的延长发生了改变,在热处理开始后一段时间,扩散溶解层的生长受化学反应速度控制,与保温时间呈线性关系,之后,转变为受扩散控制,与保温时间呈抛物线关系,扩散溶解层的生长方向也由Ti基侧转变为Al基侧;扩散溶解层的厚度与热处理温度呈指数关系。     

磁控溅射Cu/Al多层膜的固相反应

采用磁控溅射技术原子比为2：1、调制周期A分别为20和5nm的Cu/Al多层膜，用X射线衍射（XRD），透射电镜（TEM）和热分析（DSC）等技术研究了多层膜的固相反应。∧＝20nm的多层膜样品中铜和铝膜均沿（III）方向择优生长，加热至145℃时生成α－Cu固溶体，超过191℃时生成γ2-Cu9Al4要。制备态∧＝5nm的样品有α-Cu生成。加热时γ2－Cu9Al4的生成温度显著降低（134℃），测定了∧＝20nm多层膜样品中α-Cu和γ2－CuAl4的形成激活能分别为0．56eV和0.79eV，后者与文献值相符。