材料制备新技术(许春香) 第八章 自蔓延高温合成技术

0.8
1500
NbC-Ni
130～150 ～
焊缝区
0.8
1200
ZrC-Ni
90～110 ～
焊缝区
①俄罗斯牌号不锈钢。 俄罗斯牌号不锈钢。
第8 章
自蔓延高温合成技术
(8-1)
vad = evm
C pTad RTad θ= (9.1 − 2.5) E Q
式中， 为绝热燃烧速度； 式中，Vad为绝热燃烧速度；Vm为燃烧熄灭前的临 界速度。 界速度。
第8章 自蔓延高温合成技术 章
9 8 7 6
5 4 3 2 1
图8-9 SHS-等静压法实验装置示意图 等静压法实验装置示意图 1-压力容器；2-金属包套；3-原料；4-点火端；5-液体；6-储液罐；7-气体； 压力容器； 金属包套 金属包套； 原料 原料； 点火端 点火端； 液体 液体； 储液罐 储液罐； 气体 气体； 压力容器 8-点火器；9-泵 点火器； 泵 点火器
298 Tm
H −H
0 T
0 298
'' = ∫ CP dt +θ∆H m + ∫ CP dt
Tm
T
H −H
0 T
0 298
'' = ∫ CP dt + ∆H tr + ∫ C dt + θ∆H m + ∫ C P dt 298 Ttr ' P Tm
Tir
Tm
T
(8-7)
dη = ξ (η , T ) dt
14-导火线引线 导火线引线
第8章 自蔓延高温合成技术 章
Al2 O3 Fe2 O3+2 Al +2Al 2Fe
图8-12 SHS-离心法过程示意图 离心法过程示意图
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B C D A C B A A D
B
图8-13 SHS重力分离法制备陶瓷内衬复合管示意图 重力分离法制备陶瓷内衬复合管示意图 A-铝热剂 B-内衬陶瓷层 C-液态陶瓷 D-还原铁液 铝热剂 内衬陶瓷层 液态陶瓷 还原铁液
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图8-11 SHS-爆炸冲击加载法装置示意图 爆炸冲击加载法装置示意图 1-炸药；2-硬钢加压板；3-石膏；4-点导火线； 5-点火剂；6-软钢套； 炸药； 硬钢加压板 硬钢加压板； 石膏 石膏； 点导火线 点导火线； 点火剂 点火剂； 软钢套 软钢套； 炸药 7，12-排气孔；8-硬钢台座；9-样品；10，13-氧化锆毡； 11-GRAFOIL板； 排气孔； 硬钢台座 硬钢台座； 样品 样品； ， 氧化锆毡 氧化锆毡； ， 排气孔 板
C
时，为稳态燃
H −H
0 T
0 298
= ∫ CP dt
298
T Ttr
T
(8-4)
H −H
0 T
0 298
=∫
T
298
' +∆H tr + ∫ CP dt CP dt
(8-5)
式中， 为相变温度； 为相变过程的焓变。 式中，Ttr为相变温度；△Htr为相变过程的焓变。
(8-6) 式中,T 为某组分的熔点;θ 式中 m为某组分的熔点 θ为发生熔化物质的 百分数;△ 为该组分的熔解热。 百分数 △Hm为该组分的熔解热。
(8-13)
式中， 为重力系数； 为物体所受的离心力； 式中，G为重力系数；F为物体所受的离心力；P为 物体的重力； 为金属液质点的质量； 物体的重力；m为金属液质点的质量；ω为铸型旋转 的角速度； 为自由落体加速度； 的角速度；G为自由落体加速度；r为液体金属中任 意点的旋转半径； 为铸型的转速。 意点的旋转半径；n为铸型的转速。
(8-8)
dη n = ξ (η , T ) = λ (1 − η ) dt
(8-9)
式中， 为反应级数； 为反应速率常数。 式中，n为反应级数；λ为反应速率常数。
λ = λ0 e
−
E RT
(8-10)
式中, 为常数； 为反应激活能； 为气体常数。 式中,λ0为常数；E为反应激活能；R为气体常数。
(8-11) 式中， 为组元A 的厚度； 为扩散系数。 式中，a0,b0为组元A和B的厚度；D为扩散系数。
焊缝区
W-Mo
0.85 0.6 0.7 0.75
850 900 1000 1100
270～320 ～ 70 60 70
焊缝区
石墨-石墨 石墨 石墨 W-石墨 石墨 Mo-石墨 石墨
石墨 石墨
石墨
NbNb70.9，Ni10， ， ， ① l0X18H10T C9.1 Zrl0X18H10T① Zr 79.6， ， C10.4，Ni10 ，
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图8-14 SHS陶瓷内衬复合弯管合成过程示意图 陶瓷内衬复合弯管合成过程示意图
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1
2 4
5
3
(a)燃烧前 燃烧前 (b)燃烧后 燃烧后
图8-15 熔铸涂层原理示意图 1-SHS反应物料；2-点火装置；3-钢基体；4-过渡区；5-SHS熔铸涂层 反应物料； 点火装置 点火装置； 钢基体 钢基体； 过渡区 过渡区； 反应物料 熔铸涂层
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TiC
TiN
N
Ti+ C 反应层 反应层 Ti
2
(a) 固-固体系 (b) 固-气体系 固体系 气体系 图 8-4 自蔓延高温合成过程示意图
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图8-5 无气燃烧体系相互作用示意图
图8-6 气体漫渗燃烧体系相互作用示意图
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图8-16 反应铸渗法涂层示意图 1-钢锭模；2-高温熔体 浇注液 铸件 ；3-型芯；4-预涂覆层 钢锭模； 高温熔体 浇注液, 铸件)； 型芯 高温熔体(浇注液 型芯； 预涂覆层 钢锭模
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4 5 6 7 8
3 2 1
9
10
图8-17 SHS焊接设备 焊接设备 1-绝缘套；2-下铜电极；3-粉末焊剂；4-机架；5-绝缘垫；6-引电杆； 绝缘套； 下铜电极 下铜电极； 粉末焊剂 粉末焊剂； 机架 机架； 绝缘垫 绝缘垫； 引电杆 引电杆； 绝缘套 7-上铜电极；8-焊坯 ；9-点火装置；10-焊坯 上铜电极； 焊坯 焊坯(1)； 点火装置 点火装置； 焊坯 焊坯(2) 上铜电极
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图8-10 SHS-准等静压法装置示意图 准等静压法装置示意图 1-计算机；2-电源；3-液压系统；4-压头；5-模具；6-砂子；7-反应物坯料； 计算机； 电源 电源； 液压系统 液压系统； 压头 压头； 模具 模具； 砂子 砂子； 反应物坯料 反应物坯料； 计算机 9-点火器 点火器
表8-1 SHS体系的绝热温度 体系的绝热温度
体系
TiB2
TiC
SiC
ห้องสมุดไป่ตู้
TiN
BN
MoS2
B4N
CdS
Tad / K
3190
3200
1800
4900
3700
1910
1000
2000
表8-2反应铸造法制备的材料及性能 反应铸造法制备的材料及性能
材料 增强相 含量/% 含量 0 4.4 6.4 0 9.5 12 1.5* 20 0 增强相大小 /µm 0.5~3 0.5~3 TiC 2~5 AlN 0.2~1.2 0.1~1.0 屈服强度 б0.2/MPa 428 470 445 166 229 293 237.4 300 抗拉强度 ббb/MPa 471 495 455 187 325 388 256.3 350 164 235 300~320 0 4 20 10 0.5~2 3.5 60 79 152.5 80.2 141 183 261.2 165.1 延伸率 б/% 16 8 4 12.0 6.1 5.0 5.0 3.5 18.7 22 5.0~4.0 28 16 74.6 82.0 弹性模量 E/GPa 74.4 80.9 85.0 77 93 105 94.7 制备方法
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图8-1 SHS反应过程示意图 反应过程示意图
第8章 自蔓延高温合成技术 章
图8-2 燃烧波中的燃烧温度 、转化率 和热释放率 分布图 燃烧波中的燃烧温度Tc、转化率η和热释放率 和热释放率Ф分布图
存在后烧现象的燃烧波中的燃烧温度Tc、 图8-3 存在后烧现象的燃烧波中的燃烧温度 、 转化率η和热释放率 和热释放率Ф分布图 转化率 和热释放率 分布图
TiC-Al
气-液 液
A1N-TiCAl TiC-Al Al2O3TiA13-A1 TiA13-A1 TiB2-Al TiC-Al SiC-Al
气-液 液
固-液 液 固-液 液 固-液 液 固-液 液 粉末冶金 法
*为质量分数，其余为体积分数。 为质量分数， 为质量分数
表8-3 SHS焊接条件及相应的接头强度 焊接条件及相应的接头强度
（8-2）
式中， 为反应激活能 为反应激活能。 式中，E为反应激活能。当 θ＞θi=1 时，为稳 态燃烧； 为振荡燃烧。 态燃烧；θ＜θi ，为振荡燃烧。
EQ β= 2 2C p RTad (1 − M )
(8-3)
5
式中， 为熔化率 为熔化率。 式中，M为熔化率。当 β < β = 2 + 为非稳态燃烧。 烧，β＞βc时，为非稳态燃烧。
被焊材料 W-Mo 焊料组成质量 分数／％ 分数／％ Mo80，B20 ， Mo64，B16， ， ， Cu20 Ti86，C14 ， Ti86，C14 ， Ti86，C14 ， 原坯相对 密度 0.77 焊接电流／ 焊接电流／ (A·m -2) 600 焊缝区 产物 Mo2B5 Mo2B5-Cu 7TiC-3Ti 7TiC-3Ti 7TiC-3Ti 焊接强度 ／MPa 180～200 ～ 断裂位置
图8-7 SHS图 图
第8章 自蔓延高温合成技术 章
4 5
3 6
7 9 8 2
1
图8-8 SHS－弹簧加压法装置示意 － 1-弹簧；2-聚四氟乙烯或ＢＮ套管； 3-0.2mm铂丝；4-压力机； 5-石墨； 弹簧； 聚四氟乙烯或ＢＮ套管 聚四氟乙烯或ＢＮ套管； 铂丝； 压力机 压力机； 石墨 石墨； 弹簧 铂丝 6-氧化铝管；7-钨棒；8-反应器壁； 9-点火器（40J，2.5ms） 氧化铝管； 钨棒 钨棒； 反应器壁 反应器壁； 点火器 点火器（ 氧化铝管 ， ）
E∗ D = D0 e − (8-12) RT 式中， 为常数； 为扩散激活能。 式中，D0为常数；E*为扩散激活能。
F mrω r π n n G= = = = 0.112 × r P mg g 30 100
2 2
dη D 1 = × dt a0 ( a0 + b0 ) η