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1、浙 江 科 技 学 院本 科 毕 业 论 文 开 题 报 告 题 目 原位合成NiAl-TiB2-Al2O3复合材料 的组织结构及性能研究 学 院 机械与汽车工程学院 专 业 材料成型及控制工程 班 级 材料091 学 号 学生姓名 肖少杰 指导教师 曹丽丽 开题日期 2013.1.10 一、选题的背景与意义1.1陶瓷及其复合材料陶瓷材料在人类生活和社会建设中是不可缺少的材料，它和金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料。随着现代社会科学技术的发展，陶瓷开始步入工业应用领域，对材料性能提出了各种要求，促使研究向高纯、超细单相材料方面过渡。作为社会经济先导的新材料得以迅速发展。在众多种类的新材
2、料当中，先进陶瓷材料以其它材料（如金属材料，高分子材料等）不可比拟的优点：耐高温、抗氧化、耐磨损、高硬度、不老化等而得到人们的广泛重视，并在逐渐克服其固有缺点（抗拉强度低、脆性、工艺重复性差等）的过程中有着惊人的发展，以至于出现所谓的“先进陶瓷时代”，大有替代传统材料的趋势1-2。陶瓷材料中，氧化铝陶瓷(Al2O3) 是一种以氧化铝为主体的材料，具有3硬度大（洛氏硬度为HRA80-90，仅次于金刚石，远远超过耐磨钢和不锈钢）、耐磨性能好（耐磨性相当于锰钢的266倍，高铬铸铁的171.5倍，在同等工况下，可至少延长设备使用寿命十倍以上）、重量轻（密度为3.5g/cm3，仅为钢铁的一半，可大大减轻
3、设备负荷）的特点和较好的传导性、机械强度和耐高温性等优良性能，在现代社会的应用已经越来越广泛，如用于厚膜集成电路，也是一种满足于日用和特殊性能需要的用途广泛的陶瓷。张炳荣4等用Ni3Al增强Al2O3。其试验方法是将Al2O3+10%（体积分数）Ni3Al混合粉末装入衬有WC不锈钢的球磨筒中，以酒精为介质强化球磨90min，球磨后的合泥浆在70烘干后过100目筛，然后装入石墨模中，在(134010)、25MPa压力下于氢气气氛中热压1h，得到Ni3Al/Al2O3复合材料。研究表明，Ni3Al对Al2O3陶瓷有明显的增韧作用。所得复合材料的抗弯强度与断裂韧性从室温至600范围内，随温度升高下降
4、很少随温度进一步升高，在600以后，Ni3Al粒子发生软化，与Al2O3基质的结合强度下降，导致材料性能明显下降。但是与纯Al2O3陶瓷相比，该复合材料直到1000仍保持了较高的断裂韧性。TiB2陶瓷材料以TiB2为主要成分。TiB2有着优异的物理化学和力学性能，极耐高温，熔点高达3253；洛氏硬度极高仅次于金刚石和立方氮化硼；导电性极佳，电阻率为9m，热导率为120w/(mK)，导电性同许多金属相当；密度小，仅为4.51g/cm3，是钢铁的1/2，硬质合金的1/4；化学稳定性好，高温抗氧化性能特别好，并且能抗熔融金属侵蚀；断裂韧度为56MPam1/2，抗弯强度大于700MPa，弹性模量达83
5、1GPa，抗压强度为6500MPa5。第二次世界大战期间，克虏伯、维迪亚公司采用镍作粘接剂，通过液相烧结开发出TiB2 基金属陶瓷，但由于太脆而在应用上受到限制。作为硼化钛的粘接剂应该能够湿润、部分溶解并析出难熔物；同时，能抑制脆性的和较软的二元及三元硼化物的形成，因为这些硼化物会消耗相当多的延性粘接剂。近10年来，TiB2基陶瓷粘接剂的研究取得了较大进展，已开发出Fe、Fe-Cr-Ni、V6、Co7 等金属和合金粘接剂，使TiB2基陶瓷材料性能不断提高8。Al2O3与TiB2可形成复相陶瓷材料，具有Al2O3较好的传导性、机械强度和耐高温性，TiB2的高熔点、高硬度、优良的化学稳定性以及耐磨
6、性且易于加工等特性等，同时TiB2与基体A12O3的化学相容性以及物理匹配性好（见表1），因此TiB2+A12O3复相陶瓷材料预期具有多种叠加优势，具有金属材料无法比拟的高硬度、高熔点、高导热、低膨胀系数、高耐磨性、高温化学稳定性等优良的性能，但由于两种材料都属于硬而脆的材料，复合后仍然存在脆性大、裂纹敏感性强、抗机械冲击性和温度急变形差等缺点。武汉理工大学的何金云9-10应用自蔓延高温还原合成法(SHS)在空气中制备TiB2和Al2O3+TiB2陶瓷粉料，对合成过程的物理化学变化进行分析，并研究了稀释剂含量对合成过程及陶瓷粉末的影响。材料硬度HV弹性模量E(GPa)热胀系数a(10-6/)导
7、热系数(w/m-1）201000201000TiB232536005508.125.946.1Al2O330003005308.533.95.9表1 TiB2、Al2O3各项物理性能陶瓷复合材料由于共价键性比较强，在烧结时扩散速率低，可烧结性差。当前陶瓷的制备技术主要有:普通烧结法（活化烧结法、松装烧结法、浸透法、电火花烧结法）、微波烧结法、热压烧结法（包括反应热等静压法和反应准等静压法）和自蔓延高温合成法。其中，自蔓延高温合成(Self-propagating High-tem-perature Synthesis，SHS)技术，是利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的
8、一种技术。当反应物一旦被引燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全，是制备无机化合物高温材料的一种方法。自蔓延高温合成节省时间，能源利用充分；设备、工艺简单；产品纯度高，反应转化率接近100%；不仅能生产粉末，如果同时施加压力，还可以得到高密度的燃烧产品；产量高；适用于键能高，热稳定性高的化合物和复合物扩大生产规模简单，从实验室走向工业生产所需的时间短，而且大规模生产的产品质量优于实验室生产的产品；能够生产新产品；在燃烧过程中，材料经历了很大的温度变化，非常高的加热和冷却速率，使生成物中缺陷和非平衡相比较集中，因此某些产物比用传统方法制造的产物更具有活性，更容易烧结；可制造某些非化学计量
9、比的产品、中间产物以及亚稳定相等11。1.2 金属间化合物金属间化合物是由不同的金属元素（通常讨论二元系）按一定的原子比例所组成的化合物，具有高熔点、低密度、性质介于金属与陶瓷之间的有序结构化合物，原子长程有序排列，有耐高温、抗氧化和抗腐蚀等特殊性质。与金属材料相比，金属间化合物密度小、抗氧化性能好、熔点高、硬度高、抗蠕变和抗疲劳性能好，并具有许多特殊的物理化学性能和力学性能，特别是一些金属间化合物的强度在特定温度范围内随温度升高而升高。虽然金属间化合物种类繁多，但作为结构材料引起材料界兴趣并已开展研究的只限于几个系列，主要是Ni-Al系和Ti-Al系，对Fe-Al系也有研究12-13。Ni-
10、Al系，美国ORNL(C.T.Liu)14经过多年努力，在克服上面所说的两大弱点方面取得了进展。开发出了一个以Ni3Al为基的新的合金系列，具有从室温到800以上良好的强度、韧性综合性能，并已进入商品阶段；虽然对NiAl的基础性研究早在50年代就已开始。但它作为结构材料来开发。却远远落后于Ni3Al。主要原因是长久以来一直未能找到有效的韧化方法。至今离实用还有很大距离。但是，从长远来看，NiAl是比Ni3Al更重要。更有希望的航空用高温材料。因为它有以下一些独特的优点：a)熔点为1640，比超合金高出300；b)比重为5.96仅为超合金的2/3；C)导热性能好，其导热系数是超合金的4-8倍，这
11、对发动机材料十分重要，因为它使得温度分布均匀，避免“热点”产生，从而延长材料使用寿命；d)高温抗氧化性能优良；e)晶体结构为有序体心立方，与许多其它金属间化合物相比，对称性高、结构简单，改进韧塑性的可能性是存在的；f)有很宽的固溶范围，在相图上单相区包括从45%到60%Ni的范围，因此潜在的利用合金化改进韧塑性的余地大；g)单晶状态下脆一韧转变温度仅为20-40（取决于施力取向），比其它金属间化合物低得多。上述b、c、d等优点使NiAl成为极为诱人的航空发动机叶片的候选材料15。基于Al2O3+TiB2复相陶瓷的高硬度、高熔点、高导热、低膨胀系数、高耐磨性、高温化学稳定性等优良的性能，NiAl
12、的高熔点、比重小、导热性能好、高温抗氧化等性能优良等特性，用以克服复相陶瓷材料和金属间化合物的缺点，在陶瓷相中添加金属间化合物(NiAl)，提高断裂韧性，并且通过SHS，这一制备时间短，生产设备和生产工艺简单，产品纯度高的制备方法来制备Al2O3+TiB2+NiAl复合材料。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：本文拟采用自蔓延高温合成（SHS）工艺，通过Ni、Al、B2O3、TiO2之间的反应，制备Al2O3+TiB2+NiAl复合材料。1. 以Ni-Al-B2O3-TiO2粉末为反应体系，采用自蔓延高温合成技术，通过粉末之间的反应获得NiAl-TiB2-Al2O3复相陶瓷材料。2. 改变体
13、系中的Ni-Al元素粉末含量，获得不同含量的NiAl与TiB2-Al2O3复相陶瓷材料。3. 对反应产物进行物相及组织结构观察、孔隙率等性能测试，分析NiAl对陶瓷组织及性能的影响。三、研究的方法与技术路线采用工艺实验与理论分析相结合的方法，研究原位合成NiAl-TiB2-Al2O3复合材料的组织结构及性能。具体的工艺路线如图1所示：图1 SHS制备金属陶瓷复合材料流程图四、研究的总体安排与进度时 间毕业设计（论文）工作内容2012年12月20日2013年1月10日调研、收集资料，了解课题的背景及意义。编写毕业设计计划。提交开题报告和英文翻译。2013年1月11日2013年3月10日指导老师介
14、绍相关实验知识和毕业设计方法。2013年3月11日2013年3月26日根据给定的参数完成体系设计，确定实验方案。2013年3月27日2013年4月10日进行课题的工艺实验。2013年4月11日2013年4月20日对实验样品进行物相、组织结构、性能等检测。2013年4月21日2013年5月1日实验数据的分析和总结。2013年5月2日2013年5月16日撰写毕业设计（论文），修改论文，综合整理。2013年5月17日2013年5月22日毕业设计（论文）评阅、答辩、总评。五、主要参考文献：1 张彪, 呈金源. 复合陶瓷研究开发现状J. 宝钢技术, 1997,(3):40-42.2 M.Cirakogl
15、u, S.Bhaduri, S.B.Bhaduri. Proeessing of Ti-B Based Funeitonal Graded Composite by Combustion SynthesisDynamie CompationJ,Ceramic Engineering and Seience Proceeding, 2002,21(3):730-735.3 ZHANG Bin-rong, SHEN Jian-xing, WANG Jie-feng, et al. A study on mechanical properties of Al2O3-Ni3Al compositeJ.
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18、瓷及TiB2-A12O3复相陶瓷材料的制备D. 武汉:武汉理工大学, 2004.11 YI H C, Moore J J.J. A12O3-TiB2 CompositesJ. Mater.Sei., 1990,25:9-11.12 周曦业, 邓再德, 英廷照. 陶瓷复合材料及其制备技术J. 中国陶瓷, 1997,2(l):25-28.13 沈建兴, 李肖玲, 邹文国. Ni3-Al增韧Al2O3陶瓷机理的研究J. 山东陶瓷, 2000,23(3):3-6.14 张玉军, 尹衍升. 金属间化合物陶瓷复合材料研究进展J. 兵器材料科学与工程, 2000,23(1):8-11.15 孙康宁, 尹衍升, 李爱民. 金属间化合物/陶瓷基复合材料M. 北京:机械工业出版社, 2002:12.16 刘毅, 邮定强, 林栋梁. 金属间化合物FeAl超塑性变形中的位错特征J. 金属学报, 1996,32(3):225.17 尹衍升, 施忠良, 刘俊友. 铁铝金属间化合物合金化与成分设计M. 上海:上海交通大学出版社, 1996, 56-70.18 林一坚. 金属间化合物结构材料的研究动态和发展前景M.上海:中国科学院上海冶金研究所, 2000:5-8.19 傅正义. 金属-陶瓷复合材料的自蔓延高温合成与制备D. 武汉工业大学博士学位论文, 1994.指导教师审核意见：指导教师签名：年 月 日