Ti 元素对B4C/Al复合材料力学性能的改善作用研究

B₄C/Al复合材料是目前最理想的中子吸收材料,广泛用于乏燃料储存。本文利用液态搅拌法制备B₄C/Al复合材料,通过添加Ti元素,探讨了界面反应对材料的界面结构和力学性能的影响。研究发现,Ti元素通过参与界面反应,改变了界面结构,在B₄C颗粒表面形成了紧密结合的纳米TiB₂界面层;Ti的添加消除了界面微裂纹、微孔、分离等缺陷。随着界面反应程度的加强,材料强度提高,尤其反应脱落的纳米TiB₂颗粒作为原位第二强化相进一步增强基体。B₄C/Al复合材料断裂过程表现为韧窝延性断裂;TiB₂界面层增强了B₄C颗粒与基体的结合,断裂行为从B₄C-Al界面脱落转变为B₄C颗粒断裂;但过渡的界面反应会形成微韧窝,引起材料延伸率下降。     

增强体涂层影响Al/陶瓷界面润湿性的研究

增强体涂层处理是目前国内外改善金属/陶瓷界面润湿性的最有效手段之一。综述了涂层影响Al/SiC界面和Al/Al2O3界面润湿性的研究现状。着重分析了金属涂层、陶瓷涂层对Al/SiC界面和Al/Al2O3界面润湿性的影响。讨论了研究中存在的问题和今后发展方向。     

金属/陶瓷润湿性的研究现状

金属 /陶瓷润湿性是材料科学中普遍存在的现象 ,人们很早就开始了这方面的研究。研究金属对陶瓷的润湿性对开发新型金属 /陶瓷体系 ,探寻和发展材料的制备技术 ,制备高性能金属 /陶瓷复合材料有着重要的现实意义。本文从陶瓷 /金属的润湿现象及其机理出发 ,介绍了润湿性研究的实验研究方法 ,并探讨改善润湿性的途径     

过渡元素改善B_4C/Al材料界面润湿性的机理研究（英文）

B_4C/Al复合材料是目前最理想的中子吸收材料,但工业上常用的液态搅拌法制备过程中存在着界面润湿性差的问题。结合实验及第一性原理的方法,通过研究Al(111)/AlB_2(0001)和Al(111)/TiB_2(0001)界面的结构来分析工业上添加过渡元素Ti对B_4C/Al界面润湿性的改善机制。通过计算发现,Al(111)/TiB_2(0001)界面相对Al(111)/AlB_2(0001)界面具有更高的粘附功值,说明其界面结合更强。进一步对比Ti掺杂二硼化物和AlB_2的偏态密度结构,发现Ti掺杂体具有较低的反键态,表明Ti-3d和B-2p轨道电子杂化后,在B、Ti原子间形成了较强的化学键,从而促进了Al(111)/TiB_2(0001)界面处的强结合作用,提高了Al(111)/TiB_2(0001)界面粘附功,故而改善了B_4C/Al界面的润湿性。根据同样的理论依据,V掺杂体也具有较低的反键态,V和B之间的强结合效果或许能够改善B_4C/Al界面的润湿性,成为又一理想的溶体改性掺杂元素。     

B4C-ZrB2-SiC复合材料的制备及性能研究

为了改善碳化硼的强韧性和加工性能,通过在B4C基体中,分别添加体积分数为20%、30%、40%的ZrB2-SiC添加剂,在烧结温度1900℃,烧结压力30MPa,烧结时间60min条件下,制备了相对密度94.4%～96.2%的B4C-ZrB2-SiC陶瓷基复合材料,并对其进行了力学性能测试和微观组织分析。研究表明,与纯B4C陶瓷相比,不同体积分数的ZrB2-SiC加入,使碳化硼陶瓷基复合材料的断裂韧性达到(3.9±0.3)MPa·m1/2,抗弯强度在(232.8±10.2)MPa到(336.8±6.1)MPa之间,维氏硬度在(26.9±0.3)GPa到(35.0±0.2)GPa之间。同时,ZrB2-SiC添加剂的加入,极大地改善了B4C陶瓷基复合材料的加工性能,使复杂形状的加工成为可能,并且改善了加工质量,降低了成本。     

改善铸造法制造MMCp中铝基体与增强颗粒间润湿性的方法

介绍用铸造法制造颗粒增强金属基复合材料时,熔融铝合金与增强颗粒之间润湿性的改善方法.常用的改善润湿性的方法有:添加合金元素、对增强颗粒表面进行预处理、在颗粒表面涂敷一层金属层.另外,机械振动、超声振动以及适当延长混合时间也可以改善增强颗粒与金属基之间的润湿性.     

铸造石墨/铝基自润滑材料润湿性研究现状

针对石墨与铝基体之间润湿性较差的问题,从石墨预处理和优化铸造条件两方面综述了目前主要的解决方案.石墨/铝基自润滑材料不仅具有铝基体比强度高、导热性好等金属特性,而且综合了石墨的自润滑性和良好的化学稳定性,具有广阔的应用前景.     

电弧熔炼Ti6Al4V/B4C复合材料微观组织与力学性能

采用真空电弧熔炼技术制备了不同含量B₄C的Ti6Al4V/B₄C钛基复合材料,并采用光学显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度计、静态压缩及拉伸测试等对其微观组织及力学性能进行了表征分析. 结果表明,电弧熔炼过程B₄C与钛基体原位反应生成TiB,TiC及TiB₂相,TiB呈现一维生长晶须状,TiC呈现颗粒状,在B₄C质量分数为10%时生成块状TiB₂,并可能会形成特殊的中空棱柱状结构Ti(B_xC_y)聚合物. 原位反应生成的TiB₂可显著提高钛基复合材料的显微硬度. 当B₄C质量分数为0.5%时,钛基复合材料原位反应生成的连续网状、均匀分布的TiB和TiC试样具有最优力学性能,试样最大抗压强度值达到1 990 MPa,最大压缩应变为35.5%,压缩性能超过熔炼钛合金,抗拉强度达到1 034 MPa,与熔炼钛合金材料相比提高近24%,但塑性有所降低,并随着B₄C含量增加,抗拉强度逐渐下降,其断裂方式由韧性断裂转变为脆性断裂.     

Ce及Mg对SiCp/Al复合材料界面润湿性的影响

采用液态搅拌法制备了SiCp/ZL105复合材料,并对其界面行为进行了研究.试验结果表明,表面活性元素Mg的加入能降低铝合金熔体的表面张力,进而改善SiC颗粒与铝基体间的界面润湿性,增强SiC颗粒与基体间的浸润复合;而加入富铈混合稀土后没有收到明显的效果.分析认为,Mg对铝液表面张力及其在颗粒表面润湿性的改善是通过在颗粒与熔体间引发了化学反应达到的,并非仅物理作用.在本试验条件下,Mg的加入引发了MgAl2O4在颗粒表面的生成,达到了改善界面润湿性的效果;而富铈稀土加入后,未在SiC颗粒与铝熔体间引发界面反应.     

基于Ti中间层的B4C复合陶瓷扩散连接接头界面微观组织与力学性能

碳化硼(B₄C)复合陶瓷以其高硬度、高熔点、良好的耐磨性以及吸收中子能力的特性,广泛应用于制造防弹装甲材料,原子反应堆控制以及耐磨耐高温结构材料等领域.文中采用中间层Ti箔对碳化硼复合陶瓷(B₄C-SiC-TiB₂)进行扩散连接,研究了连接温度对连接界面组织及接头力学性能的影响.结果表明,在连接温度1300 ~ 1450 ℃下成功扩散连接了B₄C-SiC-TiB₂复合陶瓷,Ti与B₄C反应生成TiB₂和TiC.随着连接温度的升高,反应层变厚,而过厚的反应层会对接头的性能造成不利影响.在连接温度1300 ℃时,反应层的平均厚度约为5 μm,此时获得较高的接头抗剪强度100 MPa;在连接温度1450 ℃时连接层基本为TiB₂和TiC陶瓷相,此时扩散连接接头可以获得较高硬度(25.4 GPa).     

Spark plasma sintering of B4C ceramics: The effects of milling medium and TiB2 addition

Boron carbide (B₄C) ceramics, with a relative density up to 98.4% and limited grain growth, were prepared at 1600-1800 °C by spark plasma sintering (SPS) technique. The effects of powder milling medium (water and 2-propanol) on the powders' surface characteristics and TiB₂ addition on the sintering densification were investigated. The ball milling processing of B₄C powders in water can promote the sintering of B₄C ceramics. A B₂O₃ layer on B₄C particle surface is concluded to promote the densification of the B₄C ceramics at an early sintering stage. This B₂O₃ layer, which normally inhibits the densification process at the final stage of the sintering, can be reduced through reaction with TiB₂ particles, resulting in further densification of the B₄C ceramics.     

Effect of air annealing on mechanical properties and structure of amorphous B4C films

Amorphous B₄C films were prepared by magnetron sputtering of the hot-pressed B₄C target in different regimes. Hardness, intrinsic stress and film structure were investigated in dependence on the annealing temperature in air.Changes in the film structure and composition were investigated by Raman spectroscopy, confocal microscopy, and electron probe microanalysis. It has been shown that an annealing at 500 °C for 1 h leads to stress reduction, slight thickness decrease and increase of film hardness. However already at 600 °C the film oxidation proceeds very intensively with formation of the phases of boron oxide and amorphous carbon in the surface layer. The thickness of the film decreases quickly.The film oxidation is accompanied by formation of numerous carbon hillocks and redistribution of film material after annealing in furnace at 500 and especially 600 °C. The oxidation of a-B₄C films as well as of the crystalline bulk samples starts in some locations and has clearly pronounced heterogeneous character that indicates heterogeneous structure of amorphous films as well as of bulk crystalline samples.Annealing in air for a long period shifts down the onset of formation of hillocks to 400 °C and changes in film morphology to 300 °C. Thus the upper temperature limit for application of a-B₄C films in air depends also on the exposure time at the operation temperature.     

B4Cp/6061Al复合材料动态再结晶临界条件

通过等温热压缩实验对25vol.% B₄C_p/6061Al复合材料的热变形行为和动态再结晶临界条件进行了研究,采用的温度范围为350℃-500℃,应变速率范围为0.001s_-1-1s_-1。应力-应变曲线显示动态再结晶是复合材料热变形过程中主要的软化机制,并利用峰值应力构建了基于Arrhenius形式的本构方程。基于加工硬化率曲线,求解了表示动态再结晶发生的临界应变与临界应力值。结果表明,临界应力与峰值应力存在线性关系：σ_c=0.8374σ_p-0.33708。此外,引入Zener-Hollomon 参数描述变形条件对临界条件的影响,得到临界应变与Z参数的关系：ε_c=2.39×10_-4Z_0.11022。最后,通过θ-ε曲线得到了复合材料完成动态再结晶时的稳态应变,并绘制了动态再结晶图。     

Thermally induced decomposition of B4C barrier layers in Mo/Si multilayer structures

We investigate the influence of the Mo crystalline state (quasi-amorphous or crystalline) on the thermal stability of Mo/Si thin film multilayers with B₄C diffusion barrier layers at either of the two interfaces. We find that multilayers containing amorphous Mo layers are more stable than those containing crystalline layers. This observation is in contrast to the case where Si₃N₄ diffusion barriers are used. Using X-ray diffraction, X-ray reflection and X-ray photo-electron spectroscopy we show that this difference can be attributed to the dissociation of B₄C followed by diffusion of B in Mo. Due to the favorable thermodynamic properties of Mo_xB_y compounds, the boron atoms react with the Mo layer, forming a Mo_xB_y layer that effectively improves the multilayer thermal resistance.     

等离子熔覆-注射B4C铁基熔覆层组织耐磨性研究

目的采用等离子熔覆-注射工艺在Q235基体上制备B4C铁基熔覆层并研究其耐磨性。方法通过OM,SEM,EDS等分析熔覆层及界面的组织特征,并进行耐磨性测试。结果当B4C质量占主体熔覆材料质量的18%时,注射熔覆层表面比较平整,无裂纹。注射熔覆层组织致密,界面呈现平直的亮白色过渡层,稀释率小,与基体形成了良好的冶金结合。B4C陶瓷颗粒表面溶解会形成Fe,Cr等元素的硼化物。等离子熔覆-注射B4C熔覆层的耐磨性是42CrMo的22倍,是16Mn钢的41倍。结论等离子熔覆-注射B4C工艺能够增强B4C与熔覆层之间的结合力,提高熔覆层的硬度和耐磨性。     

Microstructure and mechanical properties of B4C reinforced Al-based matrix composite coatings deposited by CGDS and PGDS processes

Coatings of a composite material consisting of an Al-12Si matrix reinforced with 20 wt.% B₄C particles were produced using Cold Gas Dynamic Spray (CGDS) and Pulsed Gas Dynamic Spray (PGDS) processes onto Al-6061 and SS-316L substrates. Two types of composite feedstock powders (mechanically mixed and cryomilled) were used. The influence of the coating process as well as the nature of the feedstock material on the coating microstructure and mechanical properties was studied. The combination of cryomilling to synthesize the feedstock powder and the spray processes provides a unique opportunity to produce hard and dense composite coatings with good cohesion between the deformed particles and good adhesion to the substrate, no phase degradation, very low compressive stresses and high dry sliding wear resistance. The two spray processes have shown almost similar results regarding microstructure and mechanical properties. No effect of the substrate material, Al-6061 and SS-316L, on the coating microstructure and properties was observed.     

催化剂对B4C-SiC-Si复合材料组织与性能的影响

采用间苯二酚甲醛水基凝胶体系,通过凝胶注模成形法制备B4C/C坯体,结合反应渗Si烧结工艺制备B4C-SiC-Si复合材料。重点考察Na2CO3、NaOH、KOH、Na2SiO3和NaHCO3 5种不同碱性催化剂对B4C-SiC-Si复合材料组织与力学性能的影响。结果表明:催化剂主要影响复合材料的组织均匀性及游离Si的尺寸。分别添加5种不同催化剂时复合材料均由BxC、B12(B,C,Si)3、SiC和Si组成。以NaOH、KOH或NaHCO3为催化剂时,复合材料中游离Si的分布较均匀、尺寸较小;以NaOH作为催化剂时,B4C-SiC-Si复合材料的综合力学性能最佳,其硬度、抗折强度和断裂韧性分别达到16.9 GPa、296 MPa和4.15 MPa·m1/2。     

半固态热等静压Al/B4C复合材料液相流动行为与致密化机理

铝基碳化硼复合材料是一种重要的中子吸收材料。为了制备具有更高密度的铝基碳化硼材料,研究采用粉末冶金半固态热等静压方法制备了含量为30%碳化硼的铝基碳化硼材料,采用WANCE100型材料力学性能试验机和SIRION200型扫描电镜研究了复合材料的力学性能及显微形貌。结果表明：半固态热等静压工艺可制备获得接近理论密度的Al/B4C复合材料;虽然Al/B4C材料抗拉强度可提升至约300Mpa,但过高碳化硼含量也使得该材料脆性特征十分明显;研究同时采用间接的方法观察到了半固态工艺过程中生成的液相,该液相不仅可改善碳化硼颗粒与铝基体的结合性,在高温高压下液相的流动还起到填充复合材料内部空隙的作用。半固态热等静压工艺过程中产生的液相是复合材料密度和机械性能提升的主要原因。