Acta Mater.：Ti2AlC陶瓷中Si原子的替代行為研究

【引言】

MAX相(包括Ti₃SiC₂、Ti₂AlC等)為納米層狀的三元碳化物或氮化物，其中M代表過渡金屬元素;A代表主族元素;X代表碳或氮。MAX相同時具有金屬和陶瓷的優異性能，包括低密度、高彈性模量、優異的導熱性和導電性、低熱膨脹系數和優良的機械加工性能，用于許多結構和工程應用，特別是在高溫領域。近日，有學者報道了用純鋁作為釬料的Ti₂AlC陶瓷的釬焊機理，同時通過密度泛函理論（DFT）計算，解釋了Ti₂(Al,Si)C固溶體的形成和分解機理。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工業大學陸成杰，Kseniia Piven，漆秦，張杰(通訊作者)，Gilles Hug和Aurelie Jankowiak在Acta Mater.上發布了一篇關于Ti₂AlC陶瓷材料的文章，題為“Substitution behavior of Si atoms in the Ti₂AlC ceramics”。
作者使用AlSi釬料在Ti₂AlC釬焊接頭中觀察到了Ti₂AlC陶瓷中Si原子的替代行為，并根據SEM分析結果在相互作用區域形成了Ti₂(Al,Si)C固溶體。之后，使用FIB / TEM技術進行詳細的表征。研究結果表明，不同Si含量的Ti₂(Al_1-x,Si_x)C結構在振動方面是穩定的。然而，由于競爭相的吉布斯能較低，具有高Si含量的結構將分解。最后，采用等離子燒結(SPS)方法成功合成了Ti₂(Al_0.9,Si_0.1)C。

【圖片導讀】

圖1 AlSi作釬料釬焊Ti₂AlC接頭的表征

(a) 接頭的背散射電子(BSE)圖像；

(b) 界面放大后的形態；

(c) 沿著黃色路徑的EDS線掃描結果；

(d) 釬焊接頭的XRD圖譜。

圖2 相互作用區域的TEM圖像

(a) 試樣的TEM照片；

(b) 相關區域的STEM照片；

(c-f) 標注區域的選定區域電子衍射(SAED)圖案。

圖3 標記區域的元素分布圖

(a) A區的高角環形暗場像(HAADF)圖；

(b-e) Ti，Al，Si和C元素的分布；

(c) B區的高角環形暗場像(HAADF)圖;

(g-j) Ti，Al，Si和C元素的分布。

圖4 Ti₂(Al_1-x,Si_x)C結構的平衡參數

(a) 晶格參數； ? ? ? ? ? ? ? ? (b) 焓變。

圖5 Ti₂(Al_1-x,Si_x)C結構的振動態密度

(a) Ti₂AlC；

(b) Ti₂(Al_0.875, Si_0.125)C；

(c) Ti₂(Al_0.125, Si_0.875)C;

(d) Ti₂SiC。

圖6 Si原子在Ti₂AlC結構中的替代行為

(a) 替代過程中每一步所需的能量；

(b) Ti₂AlC相的選區電子衍射(SAED)圖案。

圖7 用SPS法合成Ti₂(Al,Si)C固溶體的表征

(a) 背散射電子(BSE)圖像；

(b) XRD圖譜。

【小結】

這篇文章采用AlSi作為釬料，在710℃的溫度下保溫10min，成功地進行了Ti₂AlC陶瓷的釬焊。在接頭中觀察到Si元素在Ti₂AlC基體中的擴散，這有助于在相互作用區域形成Ti₂(Al,Si)C固溶體。實驗結果總結如下：

(1) Ti₂AlC基底中Si原子的替代有利于結構的穩定，替代過程是自發的；

(2) 替代行為會對晶格常數，特別是沿c方向的晶格常數產生收縮效應；

(3) 固溶體Ti₂(Al,Si)C的形成促進了Ti₂AlC基體和AlSi釬料之間的相互作用；

(4) Ti₂(Al_0.9,Si_0.1)C固溶體可以通過等離子燒結技術成功合成。

【團隊介紹】

張杰教授團隊主要研究方向：異種材料連接研究；陶瓷-陶瓷、陶瓷-金屬連接界面行為研究；航天特種新材料及構件連接技術與機制研究。團隊承擔國家自然科學基金、國防科工局配套、總裝備部預研等項目20余項，參加國家自然科學基金創新群體、國家自然科學基金-航天聯合基金重點項目各1項。獲國家自然科學三等獎、航天部科技進步三等獎、黑龍江省自然科學二等獎、教育部科技進步一等獎各1項。發表SCI收錄論文80余篇，他引500 余次。

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(1) Y. M. He, J. Zhang, C. F. Liu, Y. Sun, Microstructure and mechanical properties of Si₃N₄/Si₃N₄ joint brazed with Ag-Cu-Ti+SiCp composite filler, Materials Science and Engineering A 527 (2010) 2819-2825.
(2) Y. M. He, J. Zhang*, Y. Sun, C. F. Liu, Microstructure and mechanical properties of the Si₃N₄/42CrMo steel joints brazed with Ag-Cu-Ti+Mo composite filler, Journal of the European Ceramic Society 30 (2010) 3245-3251.
(3) Chengjie Lu, Guochao Wang, Guang Yang, Guohua Fan, Jia Zhang, Xiaowen Liu, Substitution behavior of Ag atoms in the Ti₂AlC ceramic, Journal of the American Ceramic Society 100 (2017) 732-738

文獻鏈接：Substitution behavior of Si atoms in the Ti2AlC ceramics (Acta Mater.,2017 , DOI: 10.1016/j.actamat.2017.11.002）

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