鉿基合金低溫熔滲碳材料機理研究.pdf

1、碳纖維增強超高溫陶瓷基復合材料(Cf/UHTCs)綜合了C/C復合材料優(yōu)異的高溫力學性能和超高溫陶瓷抗氧化燒蝕性能突出的優(yōu)點，有望成為極端條件下先進飛行器的耐超高溫結構材料。反應熔滲法具有工藝簡單、制備周期短、可近凈成形、成本低、無污染等特點，成為制備碳纖維增強陶瓷基復合材料的優(yōu)選工藝方法。碳化鉿熔點高，而且其氧化物具有熔點高、高溫下蒸發(fā)速率低的特點，使得碳化鉿陶瓷抗高溫氧化燒蝕性能突出。本文采用反應熔滲法制備了Cf/（HfC+MC）復

2、合材料。用掃描電鏡、XRD和能譜分析等方法對不同成分合金的熔滲體的組織結構進行了表征。探討了高鉿合金熔滲碳/碳復合材料時瞬間液相產(chǎn)生的機理，分析了合金元素在熔滲過程中對合金液相生成、碳化反應、滲入深度等方面的影響，討論了影響熔滲能力、熔滲組織的因素，分析了Cf/（HfC+MC）復合材料的抗氧化燒蝕性能與力學性能特點。
　　在熔滲過程中，bcc-Hf相對瞬間液相產(chǎn)生的機理起主導作用，與Hf的硅化物相比，bcc-Hf相更容易與C發(fā)生反

3、應，放熱熱量較大，使得合金局部溫度升高近480K，從而導致液相的生成；Zr的硅化物在熔滲溫度下都可能與C反應生成ZrC，當Zr的含量高于60at％時，碳化反應產(chǎn)物中會生成少量的Si相，這有利于合金液相的生成但其對合金熔化瞬間生成液相的貢獻不大。Ta元素對Hf基合金的碳化反應有促進作用，Ta會擴大bcc-Hf相存在的區(qū)域，使得在高溫下合金中bcc-Hf相含量增高，從而加強了液相產(chǎn)生的作用。
　　通過熱力學理論模型計算了Ta和Si對鉿

4、基二元合金的表面張力的影響。隨Ta含量的增加，Hf-Ta二元合金的表面張力增大；Si含量增加， Hf-Si二元合金表面張力降低。
　　在石墨材料上打孔模擬C/C復合材料孔隙，研究了Hf-Si-Ta三元合金熔滲時熔滲組織形成的過程及影響熔滲能力的因素。
　　Hf-Si-Ta三元合金熔滲時熔滲組織形成的過程為：熔體進入C/C預制體孔隙→先共晶相bcc-Hf（Ta）相在孔壁上析出→孔隙中心部位熔體凝固析出共晶相→預制體中碳與先共晶

5、相bcc-Hf（Ta）相碳化反應形成HfC、TaC→預制體中C擴散至心部與共晶體中bcc-Hf（Ta）相碳化形成HfC、TaC。
　　對于同一種熔滲合金，在孔徑小于4mm情況下，孔徑大小對熔滲深度影響不大。Ta元素對熔滲能力有影響，當Ta含量較低時，在熔體凝固過程中共晶相量較少，會產(chǎn)生離異共晶，依附生長于先共晶上形成了粗大bcc-Hf（Ta）相，隨后碳化形成大塊碳化鉿堵塞了熔滲通道，降低了熔滲深度；當Ta含量較高時，凝固時共晶相量

6、較高，則出現(xiàn)經(jīng)典的共晶組織，熔滲組織中各相分布均勻，無粗大碳化鉿，且隨Ta含量的增加，Hf-Ta二元合金的表面張力增大，使熔滲深度增加，當Ta含量為10at%時，合金熔體的熔滲深度會大幅增加，達到40mm。
　　用所設計的四種鉿基合金反應熔滲制備了密度2.1~2.4g/cm3、氣孔率為6%~8%的Cf/(HfC+ZrC+ TaC)復合材料。用氧乙炔焰燒蝕儀進行了高溫氧化燒蝕考核，用三點法測試了彎曲強度。結果表明，隨著Ta含量增加，