SiC/Ni-Al界面固相反应的研究

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SiC/金属界面固相反应是SiC在高温结构陶瓷、金属基复合材料等领域内应用的一个关键性问题。本研究针对SiC/Ni-Al(NiAl、Ni3Al)平面界面偶,较全面深入地研究了SiC/Ni-Al界面固相反应过程。研究成果有助于今后在此基础上探讨有效抑制SiC/Ni-Al界面固相反应,改善SiC/Ni-Al界面结构和性能的方法,为SiC增强Ni-Al基复合材料及SiC/Ni-Al基合金高温复合构件的研究开发奠定基础。对SiC/Ni-Al平面界面偶进行1000-1100℃,5-15b的等温处理,采用扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(KRD)等分析研究了SiC/Ni-Al界面固相反应区的成分分布、相组成及显微结构特征,以及热处理温度、时间的影响。讨论了SiC/Ni3Al界面固相反应热力学,建立了SiC/Ni3Al界面固相反应动力学方程,讨论反应的微观机制。经1000℃×5h热处理后,SiC/Ni3Al界面固相反应区厚度为16μm,由Ni5.4AlSi2、C、和Ni2Si构成;而经1100℃×5h热处理后的SiC/Ni3Al界面固相反应产物为Ni5.4AlSi2、C、和NiAl。反应区由形貌完全不同的两个亚层构成:靠近SiC/反应区界面的亚层主要由Ni5.4AlSi2构成,细片状或颗粒状的石墨态C随机地分布其中,厚度为37.8μm,称为随机C沉积区(random carbonprecipitation zone,R-CPZ);而靠近Ni3Al/反应区界面的亚层主要由Ni5.4AlSi2及NiAl构成,不含有石墨态C,反应区致密、明亮,厚度为23.7μm,称为无C沉积区(carbon precipitation free zone,C-PFZ)。对反应产物的形成进行了热力学计算分析,并建立了SiC/Ni3Al界面固相反应模型。SiC/Ni3Al界面固相反应遵守抛物线型的反应动力学机制,为一个扩散控制的反应过程。反应动力学方程为:K=1.9×10-3exp(-213×103/RT),m2/S。SiC/Ni3Al界面固相反应受Ni在Ni5.4AlSi2的晶格扩散和晶界扩散过程混合控制。SiC/NiAl复合界面具有比SiC/Ni3Al复合界面高得多的化学稳定性,SiC/NiAl界面固相反应在实验条件下没有发生。
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