可加工Ti3SiC2陶瓷与金属Ni、Cr的界面结构与反应机理

Ti3SiC2 is one of the most fascinating members of the layered ternary compounds called MAX phases which combine the merits of both metals and ceramics. The unique combination of properties makes it possible to use them in many diverse applications. The microstructure and the stability of Ti3SiC2/metal interface play a key role to determine the properties of joint or composites. In this project, the processing, fine microstructure, phase composition and distribution of elements at Ti3SiC2/Ni and Cr interface would be systematically investigated. Based on clarifying the evolution of interfacial microstructure and building the internal relations of process, microstructure, distribution of elements and properties of interface, the reaction mechanism of the Ti3SiC2/metal interface will be illustrated. The aim of this work is to obtain some insights into understanding the relationship of "processing - microstructure - properties" for Ti3SiC2/metal interface. And then the principles for microstructure optimization will be proposed. Finally, the effects of environmental factors (such as high temperature, stress, chemical mediator) on the properties and stability of the Ti3SiC2/metal interface would be studied. The observation of Ti3SiC2/metal interfaces provides the fundamental knowledge of bonding of dissimilar materials to control the microstructure, so as to optimize the preparation parameters. These experimental results will contribute to understand the interfacial structure/chemistry of constituent phases and structural stability of MAX phases /metal composites during preparation and application from both the fundamental and practical application viewpoints.

作为MAX相陶瓷家族的典型代表，Ti3SiC2陶瓷综合了金属和陶瓷的优异特性，是一种具有广泛应用前景的功能/结构一体化新材料。本项目利用现代分析方法对Ti3SiC2陶瓷与金属界面的精细结构、界面区的元素分布、界面相以及界面反应物生成、生长机制等进行系统研究，分析界面及界面区新相生成、微观结构和元素扩散对接头宏观、微观性能的影响，揭示界面微观结构与性能之间内在联系的规律性，阐明Ti3SiC2陶瓷与金属界面反应机理；在此基础上，探讨控制界面反应和优化界面结构的有效途径；研究环境因素（高温、应力状态、化学介质等）对界面结构和性能的影响。该项目的研究结果对于丰富异种材料连接理论、进一步优化复合材料性能、提出Ti3SiC2陶瓷增强的复合材料设计原则是非常有意义的，也促进MAX陶瓷连接和新型复合材料的科学研究和实际应用。

本项目选择碳化物形成元素Cr和非碳化物形成元素Fe、Ni为研究对象，对Ti3SiC2 陶瓷/金属界面反应机理和反应层的成长行为进行深入研究。利用扩散连接方法成功的连接Ti3SiC2陶瓷和金属Fe，并且获得高强度的连接结构。在连接过程中，界面生成TiCx、Fe3Si、Fe2Ti、FeSi2Ti多种反应产物，形成了Fe(Si)/ Fe3Si + TiCx / Fe3Si + Fe2Ti +FeSi2Ti+TiCx/ Ti3SiC2的界面结构。连接过程中同时发生Si从Ti3SiC2中向Fe扩散和Fe穿过反应层向Ti3SiC2扩散。研究工艺参数和残余应力分布对接头的剪切强度和断裂位置的影响，确定对接头有害的较大的残余拉应力分布在膨胀系数较小的Ti3SiC2陶瓷靠近界面附近的区域，残余应力的最大值出现在接头边缘的微小区域。确定了最佳的连接工艺参数，即连接温度T = 950 oC、连接压力P = 20 MPa、连接时间t = 90 min。在Ti3SiC2陶瓷和金属Cr的界面反应中，生成了Cr3Si、(CrTi) 5Si3Cx、Cr3C2、Cr7C3 和TiCx多种反应产物，形成了Cr(Si)/Cr3Si+(CrTi) 5Si3Cx/Cr3Si+(CrTi) 5Si3Cx+Cr3C2+Cr7C3 +TiCx/Ti3SiC2的界面结构。与非碳化物形成元素不同，Ti3SiC2陶瓷的分解反应占主导地位，Si的扩散是界面反应的控制步骤。利用Ti3SiC2陶瓷的拓扑反应原位制备TiCx 颗粒强化的Ni(Si)复合材料，基体与增强相间生成了高强度的界面，有利于载荷由基体向增强相传递，充分地发挥了增强相的强化效果，改善材料的摩擦磨损性能，但是材料的抗高温氧化性能略有下降。研究结果对于提高Ti3SiC2 陶瓷与金属连接接头或复合材料的性能具有重要指导作用，为陶瓷金属间的界面反应提供一定的理论基础；同时为Ti3SiC2陶瓷在实际工程中的广泛应用提供技术储备。