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电场辅助激活功能陶瓷与金属扩散连接的界面结构及力学性能

作　者: 刘泽锋
导　师: 孟庆森
学　校: 太原理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: FAPAS FGM 电场 扩散连接 微观结构 残余应力
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


电场激活压力辅助燃烧合成(Field-Activated and Pressure-Assisted Synthesis, FAPAS)是在多物理场耦合条件下的新材料合成新技术。由于其具有温度高、合成速度快、产品纯度高和高效等特点,现已发展成为一种用于耐高温纳米块体材料合成的关键技术之一。对于FAPAS制备的各种新型材料界面结构和材料性能的研究将有利于促进FAPAS技术的发展和产品设计开发。本研究运用FAPAS技术,分别对Ti/TiAl接头和TiC-TiB2+Ni/TiAl/Ti梯度功能材料(Functionally Gradient Materials, FGMs)进行了扩散连接。采用扫描电子显微镜、元素能谱仪、X射线衍射仪等设备对梯度材料各层的界面形貌,物相组成及界面元素分布进行了测试分析。采用剪切法、冷淬法、压痕法和三点弯曲试验机分析了合成材料的力学性能。采用ANSYS非线性有限元分析软件,分析了连接材料冷却过程中的应力分布,研究了连接材料在冷却过程中的变形形状、界面应力和应变分布的规律。扩散连接材料界面结构分析结果表明,Ti-TiAl连接界面形成了Ti(ss.Al)和(Ti3Al+TiAl)两区组成的界面扩散溶解层,合成的TiC-TiB2+Ni金属基陶瓷反应充分、组织致密,同金属间化合物层连接良好,连接界面的扩散过渡层与两侧的化学元素呈梯度分布。扩散连接材料的连接强度随施加电流的增加而增大,合成的金属陶瓷具有较高的断裂韧性,材料的连接界面具有较强的抗剥离性能和抗剪切强度,金属陶瓷层的断裂韧性平均值为9.696±0.42 MPa·m1/2,界面最大剪切强度85.88MPa,体现出较好的工程应用价值。ANSYS有限元分析结果表明,连接材料冷却过程中由于热膨胀系数的差异产生了残余应力和变形,合成材料在冷却后在厚度方向发生翘曲,最大等效应力和最大剪应力均发生在连接材料的过渡层上,从而使该部位成为扩散连接接头的薄弱部位,Ti-TiAl连接接头的等效应力为9.24MPa, TiC-TiB2+Ni/TiAl/Ti梯度材料最大等效应力为16.9MPa。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-22
  1.1 概述  10-12
    1.1.1 功能梯度材料  10-11
    1.1.2 功能梯度材料的应用  11-12
  1.2 功能梯度材料研究现状  12-18
    1.2.1 FGM的设计  12-13
    1.2.2 FGM的制备  13-15
    1.2.3 FGM的性能评价及研究进展  15-18
    1.2.4 FGM的发展方向  18
  1.3 Ti-Al系金属间化合物  18-19
  1.4 金属基陶瓷增强复合材料  19-20
  1.5 研究意义及主要内容  20-22
第二章 试验材料与方法  22-32
  2.1 试验材料及仪器设备  22-24
    2.1.1 试验材料  22-23
    2.1.2 试验设备及仪器  23-24
  2.2 试验工艺流程  24-27
    2.2.1 原料配制  25
    2.2.2 机械球磨  25-26
    2.2.3 冷压成型  26
    2.2.4 FAPAS制备  26-27
  2.3 组织及性能检测  27-32
    2.3.1 微观组织分析  27-28
    2.3.2 压痕-断裂韧性  28
    2.3.3 三点弯曲试验  28-29
    2.3.4 剪切强度试验  29-30
    2.3.5 抗热震性能  30-31
    2.3.6 力学性能数值模拟  31-32
第三章 有限元分析  32-42
  3.1 有限元思想  32
  3.2 有限元方法的基本步骤  32-33
  3.3 有限元热分析数学依据  33-37
  3.4 FGM温度场及残余应力的数值模拟  37-40
    3.4.1 材料的物性参数  37-38
    3.4.2 有限元模型  38-39
    3.4.3 初始条件和边界条件  39-40
  3.5 本章小结  40-42
第四章 Ti/TiAl的扩散连接及力学性能分析  42-58
  4.1 Ti-TiAl连接界面结构分析  42-46
    4.1.1 Ti-TiAl接头微观结构分析  42-43
    4.1.2 Ti-TiAl连接界面结构  43-46
  4.2 电流大小对Ti-TiAl连接接头性能的影响  46-49
  4.3 Ti-TiAl连接接头力学性能的有限元分析  49-56
    4.3.1 Ti-TiAl-Ti接头残余应力与应变  49-54
    4.3.2 Ti-TiAl-Ti接头各参数随时间的变化  54-56
  4.4 本章小结  56-58
第五章 TiC-TiB_2+Ni/TiAl/Ti梯度材料的结构及力学性能分析  58-78
  5.1 TiC-TiB_2+Ni/TiAl/Ti梯度材料的合成  58-61
    5.1.1 TiC-TiB_2+Ni/TiAl/Ti梯度材料微观结构分析  58-60
    5.1.2 梯度材料连接界面结构分析  60-61
  5.2 梯度材料力学性能表征  61-68
    5.2.1 梯度材料韧性分析  61-64
    5.2.2 梯度材料界面强度分析  64-67
    5.2.3 梯度材料抗热震性能分析  67-68
  5.3 梯度材料力学性能的有限元分析  68-75
    5.3.1 残余变形  68-70
    5.3.2 残余应变  70-71
    5.3.3 残余应力  71-75
  5.4 本章小结  75-78
第六章 结论  78-80
参考文献  80-86
致谢  86-88
攻读硕士期间发表的论文及科研成果  88

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业 > 基础理论
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