熱等靜壓原位合成Ti3SiC2-SiC復(fù)相陶瓷的組織與性能研究.pdf

1、本論文以SiC、TiH2和石墨粉末為原料，采用熱等靜壓原位合成工藝，成功制備了有望應(yīng)用于高溫結(jié)構(gòu)件的高SiC含量的致密Ti3SiC2/mSiC復(fù)相陶瓷。運用掃描電子顯微分析、X射線衍射分析、熱重分析、光學(xué)顯微鏡高溫原位動態(tài)觀察對高溫抗氧化性能和氧化機理進行了系統(tǒng)研究。并對Ti3SiC2/mSiC復(fù)相陶瓷的致密化機理、微觀組織、常溫和高溫力學(xué)性能，進行了較為系統(tǒng)的研究，獲得了以下主要結(jié)論:
　　1.采用熱等靜壓原位合成工藝，以SiC

2、、TiH2和石墨粉末為原料，在1500～1600℃×100MPa×2～4h工藝條件下，可以制備相對密度98％以上的Ti3SiC2/mSiC復(fù)相陶瓷(SiC的體積分數(shù)達到70％，摩爾數(shù)m可達8);Ti3SiC2/mSiC復(fù)相陶瓷由Ti3SiC2、SiC和少量的TiC組成，組織細小、均勻;Ti3SiC2/mSiC復(fù)相陶瓷具有較為優(yōu)良的導(dǎo)電性，SiC含量小于67vol.％時，致密的Ti3SiC2/mSiC復(fù)相陶瓷電阻率低于150μΩ·cm，可

3、以用電火花切割加工。
　　2.研究了SiC含量和粉末粒度以及熱等靜壓工藝對復(fù)相陶瓷致密度的影響作用。用剛球堆積模型合理解釋了Ti3SiC2/mSiC復(fù)相陶瓷的致密化過程，SiC硬顆粒在空間均勻堆積，具有高溫塑變能力的Ti3SiC2填充SiC硬質(zhì)顆粒的間隙，SiC含量對致密化有顯著影響作用。
　　3.維氏硬度和斷裂韌性測試表明，隨著SiC含量增加，致密的Ti3SiC2/mSiC復(fù)相陶瓷的硬度升高，斷裂韌性下降;裂紋在Ti3Si

4、C2基體中的擴展路徑由于受到晶粒取向的影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)，小的SiC顆粒使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而大的SiC顆粒導(dǎo)致裂紋穿過，裂紋偏轉(zhuǎn)效應(yīng)提升了Ti3SiC2/mSiC復(fù)相陶瓷的斷裂韌性。
　　4.三點彎曲強度測試表明，隨著溫度升高，Ti3SiC2/mSiC復(fù)相陶瓷的三點抗彎強度先升高后下降，約1000℃出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，1200℃左右下降到室溫的一半;1000℃以下發(fā)生彎曲強度上升與表面輕微氧化引起的應(yīng)力集中消除有關(guān)。
　　5.單向拉伸實驗結(jié)果

5、顯示復(fù)相陶瓷的低溫斷裂為典型的脆性斷裂，在1000℃以上的高溫，表現(xiàn)出一定的塑性變形能力，復(fù)相陶瓷的楊氏模量E隨溫度的提高而下降，Ti3SiC2/7SiC復(fù)相陶瓷在900℃的E高達100.0GPa，1000℃為20.6GPa，1100℃下降為9.8GPa。
　　6.采用單向拉伸加載模式，研究了Ti3SiC2/SiC復(fù)相陶瓷的高溫持久與蠕變性能，結(jié)果顯示:本試驗條件下的穩(wěn)定應(yīng)變速率在10-8～10-7S-1數(shù)量級，1000℃Ti3S

6、iC2/7SiC復(fù)相陶瓷的持久壽命為t=exp(17.6)σ-2.5(min)。Ti3SiC2/7SiC的高溫蠕變只有減速變形和穩(wěn)定變形兩個階段，沒有出現(xiàn)加速變形階段，這與單相Ti3SiC2的蠕變規(guī)律不同。蠕變激活能為691.7KJ/mol。蠕變速率與載荷和溫度之間符合下列關(guān)系:(ε)=dε/dt=(ε)0exp(28.1)(σ/σ0)exp(-691700/RT)這里(ε)0=1S-1,σ0=1MPa，R=8.314J·mol-1·K

7、-1。
　　7.采用熱重法測試了Ti3SiC2/mSiC復(fù)相陶瓷在800～1450℃的氧化增重動力學(xué)曲線，結(jié)果顯示在1400℃以下的整個溫度范圍內(nèi)，Ti3SiC2/mSiC復(fù)相陶瓷具有優(yōu)異的抗氧化性能，抗氧化性能隨SiC含量增加而提高;1200℃以下，Ti3SiC2/7SiC復(fù)相陶瓷的高溫氧化動力學(xué)符合拋物線規(guī)律;發(fā)現(xiàn)了1300～1400℃，Ti3SiC2/7SiC復(fù)相陶瓷的長時間抗氧化性能優(yōu)于1200℃的這一特殊現(xiàn)象。
　

8、　8.光學(xué)顯微原位動態(tài)觀察氧化過程，發(fā)現(xiàn)復(fù)相陶瓷中的TiC，在約650℃開始首先發(fā)生明顯氧化，然后是Ti3SiC2在800℃開始明顯氧化，直到1200℃，SiC才發(fā)生明顯氧化;對氧化層的組成和形貌進行X射線衍射分析和掃描電子顯微結(jié)合能譜分析，結(jié)果表明Ti3SiC2/mSiC復(fù)相陶瓷的氧化產(chǎn)物為非晶態(tài)的SiO2（來源于SiC的氧化）、金紅石型TiO2（來源于TiC、Ti3SiC2的氧化）和晶態(tài)SiO2（來源于Ti3SiC2的氧化）。

9、>　　9.結(jié)合原位動態(tài)觀察、氧化物組成分析和氧化動力學(xué)曲線特征，提出了Ti3SiC2/SiC復(fù)相陶瓷的氧化機理模型:復(fù)相陶瓷的抗氧化性能取決于SiC氧化形成的非晶SiO2對表層氧化物生長過程和形態(tài)的影響作用。在自由生長條件下，TiO2以臺階長大形式生長，形成{211}擇優(yōu)取向，晶粒外形規(guī)則，結(jié)合較為緊密，晶粒間存在間隙;在高溫下由于受到SiC氧化形成的非晶態(tài)SiO2的浸潤與融合作用，TiO2的生長形態(tài)與速度受到制約，并引起TiO2晶粒形