超重力下自挤压辅助燃烧合成TiB2-TiC大体积凝固态微纳米晶复合陶瓷研究

本立项采用超重力下自挤压辅助燃烧合成工艺，开展大体积凝固态TiB2-TiC微纳米晶复合陶瓷制备研究。基于材料热力学研究，并结合超重力下自挤压辅助燃烧合成实验，建立TiB2-TiC结构转化模型，研究反应体系组成、绝热燃烧温度及工艺条件对陶瓷致密化的影响，探讨制备高致密性TiB2-TiC凝固态复合陶瓷的工艺途径与技术条件。同时，通过TiB2-TiC复合陶瓷凝固行为研究，建立TiB2-TiC共晶生长模型，研究TiB2-TiC微纳米晶形成机制，并深入探讨凝固态陶瓷热裂纹萌生、扩展行为，寻求控制材料凝固缺陷的思想与方法。在此基础上，通过TiB2-TiC凝固态复合陶瓷断裂行为与高温氧化机理研究，寻求实现最佳增韧效果的材料细观力学结构，揭示材料高温氧化规律，从而在材料成分与工艺上实现材料精细微观控制之目的，为制备大体积、高性能TiB2-TiC凝固态微纳米晶复合陶瓷提供理论基础与技术手段。

本研究重点研究了超重力场燃烧合成TiC-TiB2超细晶复合陶瓷制备工艺与组织改性，通过探索TiC-TiB2共晶体系成分与组织、加大超重力场加速度与增加反应绝热温度，获得超细晶组织并明显改善陶瓷组织均质性，其力学性能指标超过目前国内外文献报道数据。研究得出对于TiC-50% molTiB2复合陶瓷,因其近共晶成分获得细晶乃至超细晶TiC-TiB2复合陶瓷，且残留于基体上的Al2O3夹杂量也为最低，并因小尺寸TiB2片晶诱发的裂纹偏转、裂纹桥接及片晶拔出增韧机制，具有最高的维氏硬度、弯曲强度及较高的断裂韧性，分别为98.9%、21.5 ± 1.5GPa和860 ± 35MPa。增大超重力场加速度，因加强反应熔体内部的Stokes对流，不仅加快Al2O3液滴的上浮与分离，而且促进TiC-TiB2-Me液相成分均匀化，使陶瓷显微组织得以细化，且陶瓷组织均质性又得以显著提升，使得更多的小尺寸TiB2片晶参与到裂纹桥接及随后的拔出过程，以致当超重力场加速度达到2500 g 时，陶瓷弯曲强度与断裂韧性同时达到最大值，分别为982±20 MPa与16.5±1.0 MPa•m0.5。增加高能铝热剂的引入量，通过提高反应熔体温度并增加金属液相，对陶瓷合成过程进行耦合控制，不仅急剧降低Al2O3夹杂含量与尺寸，而且明显细化陶瓷组织、改善其均质性，当绝热温度超过3600oC，出现TiB2片晶平均尺寸1 μm的超细晶组织，使陶瓷致密性、抗弯强度与断裂韧性均显著提升。