熔融Ni-(Cr,W)合金与Al2O3陶瓷的润湿性研究

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Ni基合金具有较高的热强性和耐蚀性,主要用于制造航天、医疗等领域的重要零件。Al2O3具有良好的热传导性,抗热震性以及抗氧化性,常用作一种结构材料应用在高温环境中,也用作金属基复合材料的增强材料。其中熔融Ni基合金与Al2O3的润湿性在很大程度上决定了金属基复合材料的综合性能。通过改良静滴法观察了1773-1873 K温度下熔融Ni-(Cr, W)合金在单晶与多晶Al2O3基板上的润湿行为,采用X射线衍射仪、环境扫描电镜、扫描电镜及三维光学显微镜等测试手段对Ni基合金/Al2O3界面及Al2O3基板表面进行微观形貌的观察和成分分析。研究了实验温度、合金元素、基板晶型及保护气氛对体系润湿行为及界面反应的影响,并对界面反应进行热力学分析。熔融Ni与多晶Al2O3的润湿性是研究熔融Ni基合金/Al2O3体系润湿性的基础。观察了1773-1873 K温度下保护气氛为Ar+3%H2时Ni在多晶Al2O3基板上的润湿行为,发现熔融Ni在多晶Al2O3基板上的初始接触角经过了快速下降和缓慢下降两个阶段最终达到平衡。根据热力学计算及检测结果可知熔融Ni与Al2O3基板的界面反应产物为NiO、NiAl2O4、Al2O以及Ni-Al金属间化合物。随着温度的升高,熔融Ni的初始接触角以及平衡接触角均有减小的趋势,且达到平衡的时间有缩短的趋势;随着温度的升高,反应越剧烈,生成产物的量越多。通过向纯Ni中添加合金元素Cr,分析Cr对Ni-Cr/多晶Al2O3体系润湿性的影响。加入5%-10%Cr时,初始接触角和平衡接触角均有所下降,接触角的下降速率提高。Cr的添加有利于界面反应的发生,增强界面结合,改善体系的润湿性。观察分析1823-1873 K时熔融Ni-10%W合金在单晶Al2O3基板上的润湿行为,由于单晶表面具有各向异性,使得液滴在两个方向上的接触角差异较大,在不同方向上具有不同的润湿性,表明体系的润湿性受到晶面取向的影响。随着温度的升高,各向异性的作用更加显著。与多晶Al2O3基板进行比较,分析了基板晶型对熔融Ni-W/Al2O3体系润湿性的影响。对不同保护气氛下熔融Ni-10%W合金在多晶Al2O3基板上的润湿行为进行观察。与Ar+3%H2保护气氛相比,在真空条件下熔融合金的接触角下降速率较大,达到平衡的时间较短,且平衡接触角较小。在真空与Ar+3%H2保护气氛下,熔融Ni-10%W/Al2O3的界面处均发生界面反应,且真空条件下界面反应更为剧烈。
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