過渡金屬碳化物WC在鈦合金熔池中的自抑制分解行為

《過渡金屬碳化物WC在鈦合金熔池中的自抑制分解行為》是依託華中科技大學，由劉德健擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：過渡金屬碳化物WC在鈦合金熔池中的自抑制分解行為
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉德健
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

作為過渡金屬碳化物，WC具有多級分解特性，對於其在高活性合金熔池中的界面反應起到重要作用。前期研究發現，當固態WC顆粒與液態Ti發生界面反應時，形成了薄且緻密的WC/W2C/W/TiC/Ti多層複合結構界面，在鈦合金熔池中表現出自抑制分解行為。本項目將通過研究WC在不同凝固速度鈦合金熔池中的分解行為和多層複合結構界面的形成條件，闡明界面反應誘導WC多級分解對WC/Ti界面反應的影響規律，分析WC在鈦合金熔池中的自抑制分解行為對界面反應控制的作用。在此基礎上，進一步研究WC/W2C/W/TiC/Ti多層複合結構界面的多相共生生長行為，揭示WC/Ti多層複合結構界面的形成機理。本研究將為WC/Ti界面結構控制及最佳化提供理論依據。

結題摘要

在鈦基複合材料製備過程中增強顆粒容易分解，並且與Ti發生化學反應，形成脆硬的化合物，對性能不利。如何控制增強相的過度分解、獲得理想的金屬-陶瓷界面一直是複合材料領域的研究重點。項目組前期研究發現，過渡金屬碳化物WC具有多級分解特性，在高活性鈦合金熔池中能夠形成薄且緻密的WC/W2C/W/TiC/Ti多層複合結構界面，能夠阻礙WC分解，使其在鈦合金熔池中表現出自抑制分解行為。 本項目先後採用具有快速凝固特徵的銅板冷卻電弧堆焊和雷射熔注實驗，以及具有緩慢凝固特徵的真空電弧熔煉實驗，研究了WC在不同凝固速度鈦合金熔池中的分解行為和多層複合結構界面的形成條件。利用SEM、TEM、HRTEM、HAADF、In Situ SEM原位拉伸等電子顯微技術分析了WC/Ti界面微觀結構以及失效行為。研究了WC多級分解對WC/Ti界面反應的影響規律，揭示了WC自抑制分解行為和WC/Ti多層複合結構界面的形成機理。 研究結果進一步證實了WC的自抑制分解行為，在快速凝固鈦合金熔池中WC均形成了緻密的W2C/W/TiC多層複合結構界面。界面中反應層形成順序為TiC＞W2C＞W，反應層之間不存在取向關係。TiC層首先形成，由於熔池冷卻速度快，大量晶核瞬間在WC表面形成一層緻密的TiC層。反應層W2C由WC反應誘導的相變產生。W2C內部因晶格膨脹導致孿生變形，破壞了WC/W2C共格界面，這一結果進一步澄清了WCp/Ti界面反應存在的爭議問題。W2C低溫時脫碳形成W，此時極快的冷卻速度（3650 K/s）和極短的停留時間（＜120 ms）使得W具有很高的形核率，且來不及長大，瞬間形成了大量的納米W。W被TiC層阻擋，在W2C/TiC界面處富集，進而形成了連續的納米W層。 項目組在多層複合結構界面研究的基礎上，進一步最佳化了界面結構，控制了界面脆性化合物層TiC的形成，研究獲得了突破，在界面徹底消除了TiC層，成功實現WC陶瓷與Ti金屬以納米W固溶這種最優的方式結合。In Situ SEM原位拉伸結果證實了這種新型納米界面具有很高的界面結合強度，複合材料強度提高近一倍（從原來的470MPa增加到920MPa），應變提高十倍（從0.55%增加到5.5%）。本項目研究加深了對WC/Ti界面反應的理解，新型納米界面的發現為金屬-陶瓷異種材料界面問題研究以及複合材料製備均具有重要意義。