自蔓延工艺

(4)SHS铸造技术SHS铸造技术是将SHS与传统的铸造工艺相结合而发展起来的一种新型SHS复合技术。SHS铸造技术有SHS熔铸和离心铸造两种工艺。传统的金属基复合材料是陶瓷相外加到熔融金属基体中，因而颗粒表面污染及氧化问题是不可避免的。而SHS熔铸法则可解决这个问题。就Al/TiB2复合材料而言，其具体过程是将Al、Ti、B三种元素粉末按化学计量比均匀混合，在下图所示装置中，经SHS过程合成TiB2陶瓷增强相，随后在Al熔点上的温度下使其均匀地分散到熔融金属AI中。从而制得AI/TiB2复合材料。TiB2陶瓷相为原位生长，没有暴露于空气中，从而克服了颗粒表面污染及氧化等问题。SHS熔铸装置1—样品，2—石墨坩埚3—感应圈，4—铸模此外，应用这一方法制备的复合材料表现出优异的性能。例如，制备的Ni3Al/TiC复合材料的高温弯曲强度和室温断裂韧性分别达526MPa和56.2MPa·m^(1/2)，明显高于其他方法制备的同一材料。采用这一方法制备材料时，需注意控制熔铸温度，因为熔铸温度对材料结构和力学性能有非常重要的影响。因此，对不同的材料体系要选择适当的熔铸温度。另一种铸造工艺是离心铸造工艺，又称为自蔓延高温合成离心铝热法。它是利用铝、镁、硅、锆等粉末与金属氧化物发生的高放热化学反应，依靠化学反应潜热加热反应产物陶瓷与金属或陶瓷与陶瓷。由于反应温度超过了陶瓷和金属的熔点整个体系处于熔融状态。在离心力的作用下，熔体按密度大小分层，大密度的组分与钢管基体结合，小密度的陶瓷涂覆在钢管的内壁，形成陶瓷涂层。离心复合原理示意图要成功地进行离心熔铸，应满足以下几个条件：①可燃的SHS混合物；②燃烧产物为高温熔体；③燃烧温度高于基体的熔点；④涂层和基体之间可形成冶金结合。SHS离心铸造工艺的主要技术参数有：①SHS混合物的燃烧温度②产物的熔化量③基体的厚度（5）SHS焊接技术随着现代工业和科技的发展，对耐热金属、金属间化合物、陶瓷等材料的同种或异种材料的焊接要求越来越高，然而许多陶瓷在焊接熔化时发生分解，从而导致焊件变脆，许多金属间化合物在焊接熔化和重新凝固过程中，长程有序遭破坏，使其高温强度丧失，出现热裂和脆性；而异类材料用常规方法焊接，会造成严重的不相容问题。SHS焊接提出了一种有希望的解决办法。SHS焊接是指利用SHS反应的放热及其产物来焊接受焊材料的技术。根据被焊接母材来源的不同，可将SHS焊接分为一次焊接和二次焊接。一次焊接是被焊接的母材在焊接过程中同时原位合成的焊接工艺，而二次焊接则是焊接现存的母材。其基本过程是将混合均匀的SHS反应料填充在焊件对缝中，点火燃烧．反应以燃烧波的形式蔓延至整个焊缝区后，施加压力，即可进行SHS焊接。SHS焊接工艺具有以下特点：①焊接可利用反应原料合成梯度材料来焊接异型材料，以克服母相间化学、力学和物理性能的差异；②焊接中可以加入增强相，如增强离子、短纤维、晶须等，以构成复合材料；③在反应中产生用于焊接的能量，从而可以节约能源；④可方便地进行一次焊接和二次焊接；⑤对于某些受焊母材的焊接，可采用与制备母材工艺相似的焊接工艺，从而可使母材与焊料有很好的物理和化学相容性；⑥SHS焊接过程中的局部快速放热，可减小母材的热影响区，避免热敏对材料微观结构的破坏，利于保护母材的性能。SHS焊接可用于焊接同种和异型的难熔金属、耐热材料、耐腐蚀氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷和金属间化合物。其装置如下图所示。SHS焊接陶瓷的原理是利用活性元素在陶瓷的界面处与陶瓷发生界面反应来改善陶瓷的表面状态，以提高焊料反应产物与陶瓷的润湿性。例如采用Ti-C-Ni粉末作为焊料可以实现SiC陶瓷的SHS焊接，金属镍粉的作用是为了降低反应的激发温度和燃烧温度。在异类材料的焊接中，目前研究得比较多且有明确应用前景的领域是陶瓷与金属之间的焊接。（6）SHS涂层技术SHS涂层技术，通常是在金属基体上预置成分呈梯度变化的涂层物料，然后在致密条件下局部点火引燃化学反应，利用放出的热使反应持续进行，同时使基体金属表面短时间内高温熔化，涂层与基体金属间通过冶金结合而获得高粘结强度的梯度涂层。按形成涂层的原理来分有两种工艺：①熔铸涂层②气相传输燃烧合成涂层熔铸涂层：在一定的气体压力下利用燃烧合成反应在在金属工件表面形成高温熔体同金属基体反应，生成冶金结合的过渡金属陶瓷涂层。气相传输燃烧合成涂层：通过气相传输反应，可以在陶瓷、金属或石墨表面形成15~250μm厚的金属陶瓷涂层，表面粗糙度为Ra1.25~0.63。在反应物A固+B固中，加入气体载体D气（物料的气体传输剂）在较高温度（T2）时，(AD)气分解并和B固反应形成C固,其反应式可表达为这就是气相传输SHS反应的原理。这一原理可以用于固体粉末混合粉反应体系加快燃烧过程，也可以用于SHS涂层。对于不同的反应物料，可以采用不同的气体载体。由表8.3可以看出，SHS涂层优于扩散涂层。如果对它们的工艺参数进行比较，则这种优越性将更明显，如表8.4。在燃烧合成涂层技术的研究方面，目前国内外众多科研单位制备燃烧合成涂层的方法大体可分为两种，既动态法和静态法，并且一般都是以制备钢管的防腐耐磨陶瓷涂层为主。1）动态法，又称为燃烧合成离心铝热法（前面已作介绍）2）静态法，又称为重力分离法。目前对燃烧合成涂层技术的研究主要是采用实验的方法，研究的主要内容：①利用动态法或静态法制备燃烧合成涂层，用常规的金相分析、X射线衍射分析、SEM电镜分析等手段分析各种功能涂层的微观成分及金相组织；②通过加入适当的添加剂改善涂层的组织性能特别是与金属基体的界面结合性能，避免产生宏观裂纹；③燃烧合成涂层的宏观动力学研究；④燃烧合成涂层复合钢管各种条件下的耐蚀性能；⑤燃烧合成涂层技术的相关基础理论研究。SHS涂层今后研究方向⑴复杂形状工件的SHS涂层制备技术⑵板材上的SHS涂层制备技术⑶利用添加剂改善SHS涂层性能8.3.2自蔓延的结构控制方法材料的自蔓延高温合成过程中，合成反应一经引发便自动地以极高的速度进行，并在瞬间完成。如何通过对反应的过程进行控制，进而有效地控制合成材料的结构，这一直是自蔓延高温合成技术的研究课题。SHS控制包括SHS促进方法和SHS抑制方法两个方面的内容。促进SHS过程的方法主要是通过物理或化学的方式来进行，抑制SHS过程的方法主要是通过添加稀释剂来实现的。在SHS促进方法中①热促进能使SHS过程反应速度加快，提高反应温度能提高合成材料的致密度，对某些体系还会提高合成转化率，控制中间过渡相的含量。②机械控制手段主要用来控制合成材料的致密度或孔隙度。SHS材料的孔隙度受重力场的影响很大，通过控制重力场强度就可以得到不同孔隙度的多孔材料。这是制备多孔过滤器和催化剂载体材料的有效方法。③电场对SHS材料的结构影响也很大，电场的存在不仅加快了SHS过程，而且可以制备出普通SHS工艺不能合成的材料。利用电场的SHS工艺已发展成为电场辅助SHS工艺。④磁场对燃烧温度和转化率有较大的影响，这是因为磁导率可由烧结和熔化提高两个数量级，在后燃烧阶段，磁场能量被体系所吸收，成为额外能源，使热损失减小，高温停留时间增长添加稀释剂作为抑制SHS过程的主要方法已成为控制复合材料结构的重要手段。一般稀释剂应当不参与SHS过程，可以是合成反应的最终产物，也可以是惰性添加相或者是过量的反应物等。稀释剂在不同的合成材料体系中对材料结构的影响不尽相同，但对反应过程都起缓和作用。在金属/陶瓷复合材料的自蔓延高温合成中，掺加稀释剂可降低合成过程的温度，晶粒快速生长时间缩短，同时稀释剂的存在抑制了陶瓷相晶坯的相互聚集长大。例如在Ti+B的混合料中掺加金属铝，随铝掺加量的增加，TiB2晶粒尺寸减小，当铝含量达到80%（体积分数）时，TiB2晶粒约为0.44µm。在Al2O3-Fe体系燃烧合成离心铸造技术中，添加剂主要是：SiO2、Cr2O3、Na2B4O7等。SiO2加入使Al2O3初始结晶温度和最终结晶温度下降，显著提高陶瓷层致密度。燃烧合成产物铁与Al2O3润湿性不良，加入Na2B4O7后其润湿性大大改善，促进结合强度，提高压减强度，增强复合管道耐热冲击和机械冲击的能力。而在固-气反应体系中，适量的稀释剂可以明显提高转化率。在金属-氮气SHS合成标准计量的氮化物时，稀释剂是必不可缺少的，如无稀释剂，最终合成产物仅部分氮化，得不到标准计量的氮化物。这是因为反应中燃烧温度高，使合成体系部分熔融，而氮气的传输方式为渗透传输，由于熔融体的阻挡使反应区的氮源不足，合成产物缺氮。加入稀释剂能有效降低合成过程的温度，从而提高合成转化率。