燃烧合成亚微米陶瓷-金属复合材料的非平衡凝固及其组织控制

采用不同燃烧合成体系、组成、工艺参数等，通过燃烧合成与热挤压成型，得到亚微米尺寸的不同形状（球形、多面体、八面体、六棱柱等）单一或复相陶瓷颗粒 - 不同金属（铝、铜、镍等）复合材料，研究固相颗粒参与下的多元多相复杂熔体在压力下的非平衡凝固行为、陶瓷颗粒的生长动力学规律、组织与性能之间的关系。揭示固相颗粒参与下的多元多相复杂熔体在压力下凝固的非平衡组织形成与演变的动力学规律与机制；不同类型陶瓷（TiCx 、ZrCx 、NbCx 、TiB2 、B2Zr 、BxNb）、不同陶瓷结构（x值不同）、不同生长动力学条件对不同类型陶瓷和复相陶瓷生长方式与机制的影响规律；组织对性能的影响机制。提出不同类型陶瓷的生长机制及其共性与个性规律。建立组织与性能之间的定性关系。实现组织主动控制，为发展先进的亚微米（单一或复相）陶瓷颗粒 - 金属复合材料及其制备新技术奠定必需的理论基础。

为解决颗粒增强金属基复合材料增强体与基体界面相容性好、增强体热力学稳定性高、增强体细小和规整与分散性好等关键难题。提出了采用燃烧合成/热压一体化技术制备原位内生亚微米（单一或复相）陶瓷颗粒增强金属基复合材料的设计与制备思路。探索了制备过程中陶瓷颗粒生长的动力学规律和陶瓷颗粒对基体凝固组织演化的影响规律，颗粒尺寸、形状、数量与性能的关系和组织控制。取得了如下主要进展：.（1）发现了燃烧合成的具有面心立方晶体结构的过渡金属碳化物（McCx(Mc = Ti、Zr、Nb和Ta)）生长成球形的必要条件是其C/Mc化学计量比x值要有一个宽的区间，充分条件是x值要大的共性规律。建立了x值与生长形貌的关系，随着x值的升高，McCx生长形貌的演化规律为：八面体→切角八面体→近球形→球形。提出了TiCx颗粒生长成球形的生长机制。.（2）揭示出Ni-Ti-C/B4C-BN体系的SHS反应机制和动力学规律。反应机制：形成Ni-Ti-B-N-C五元液相，反应析出TiB2和TiCxNy。反应动力学规律：反应的难易和彻底性主要受控于五元液相形成的难易程度；反应产物TiB2和TiCxNy的尺寸主要受控于最高燃烧温度，最高燃烧温度受控于液相中[Ti]、[B]、[C]和[N]的瞬间浓度以及瞬间反应析出TiB2和TiCxNy的速率和数量。.（3）提出了降低最高燃烧温度制备亚微米陶瓷颗粒尺寸的准则：①添加低熔点合金元素。②添加易挥发性合金元素。③减少陶瓷含量。实现了尺寸可控（微米→亚微米）。首次采用燃烧合成/热压一体化技术成功地制备出原位内生分布均匀的亚微米陶瓷颗粒（TiCxNy–TiB2双相、TiCx、Ti2AlC）增强Ni/Al/TiAl基复合材料。.（4）发现Nb2C-NbB2-NbC-Ni-Al多元多相复杂熔体在压力下的非平衡凝固过程中，Nb2C和NbB2可作为NiAl结晶相的非自发核心，使基体NiAl相的晶粒尺寸从80µm细化到20µm。揭示出NiAl基体和Nb2C的界面结合良好，无界面反应。.（5）初步建立了陶瓷颗粒尺寸、形状、数量与性能之间的定性关系。①亚微米比微米颗粒有更好的强化效果。②球形TiCx比棱角形TiB2有高的塑性效应，而TiB2有高的强化效应。③颗粒含量越高，强化效果越显著。.上述成果为发展先进亚微米陶瓷颗粒增强金属基复合材料及其制备新技术提供了理论基础。