Al及其合金与多晶α-SiC陶瓷的润湿及界面结构

【摘要】碳化硅与铝基体的润湿性是决定碳化硅增强铝基复合材料制备难易及综合性能的重要因素。然而，温度较低时Al与SiC润湿性差，温度较高时Al4C3脆性相在界面快速生成，严重影响了碳化硅增强铝基复合材料的实际应用。在Al中添加合金元素的方法被广泛用来改善体系的润湿性和抑制界面反应。但是Al和SiC本身非常容易氧化，对实验结果有很大影响，再加上实验设备或方法的限制，得到的实验结果非常分散，对润湿机制的研究也存在分歧。本文采用先进的高温润湿设备，分别用通管滴落法、机械挤压法，研究纯Al/SiC体系的真实润湿性及合金元素(Si,Cu,Ti,Cr,La,Ce)的添加对体系润湿性的影响，利用SEMEDS和XRD等检测手段对界面微观结构进行观察，获得的主要研究成果如下：(1)揭示了传统座滴法、通管滴落法和机械挤压法三种方法对Al/SiC体系润湿性测试的影响。传统座滴法由于金属熔化与铺展同时进行，初始阶段测量误差很大。采用通管滴落法时纯Al是在达到实验温度后直接通过Al2O3管滴落在SiC基板上，然后在SiC基板上进行熔化和润湿。这样Al滴刚熔化时表面被氧化膜覆盖，测得的初始接触角偏大。采用机械挤压法时液滴由Al2O3滴落管底部小孔中挤出，这样Al滴表面的氧化膜能通过机械挤压而破除，因此由机械挤压法得到的初始接触角更接近Al/SiC体系的初始接触角。三种方法对液滴初始阶段的铺展影响较大，对最终润湿性影响不大。(2)多晶SiC与Al的润湿性初始阶段受SiC表面去氧化影响，而后受界面上Al4C3生成的影响。11231273K温度范围内时Al/SiC体系的本征接触角可能在8478o范围内，随着温度的升高接触角变化不大。这意味着Al/SiC体系本质上可能是润湿的。文献中报道的较大的接触角可能是由SiC或Al表面氧化造成的。(3)界面上Al4C3的生成促进了体系的润湿性。在Al中添加足量Si时，界面反应被完全抑制，润湿性也能得到极大提高。这主要是由于Si容易在固液界面富集易与SiC表面形成共价键使得润湿性得到改善。(4)揭示了合金元素Cu、Cr，Ti，La，Ce等的添加对Al/SiC体系润湿性的影响。La、Ce、Cu和Cr的添加对Al/SiC体系最终润湿性改善不大甚至有所恶化。Ti的添加则对体系的润湿性有极大的促进作用，这可能与界面反应和Ti在固液界面的吸附有关。
【作者】丛晓霜；
【导师】沈平；
【作者基本信息】吉林大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】润湿性；合金元素；SiC陶瓷；界面；微观结构；

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