基于Mo5Si3難熔金屬硅化物的合金化與復(fù)合化改性.pdf

1、Mo-Si系金屬硅化物(Mo5Si3)具有高熔點(diǎn)、低密度、高強(qiáng)度和耐腐蝕性好等優(yōu)良性能,在高溫結(jié)構(gòu)材料方面有著潛在的應(yīng)用前景。但是,其室溫脆性大、高溫強(qiáng)度不足以及中溫抗氧化性差等缺點(diǎn)阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。合金化和復(fù)合化是改善金屬硅化物性能的常用方法。基于Mo5Si3和Nb5Si3互易置換合金化原理,分別采用電弧熔煉和熱壓燒結(jié)法制備了(Mo1-xNbx)5Si3金屬硅化物合金,并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及耐腐蝕性能進(jìn)行了研究?；谠粡?fù)合化,研

2、究了MoO3-Si-Al、MoO3-Mo-Si-Al及MoO3-CuO-Mo-si-Al體系的機(jī)械合金化過程、產(chǎn)物及合成機(jī)理;并結(jié)合熱壓燒結(jié)制備了Cu和Al2O3原位強(qiáng)韌化的Cu-Al2O3/Mo5Si3塊體復(fù)合材料,系統(tǒng)研究了復(fù)合材料的力學(xué)性能、顯微組織、耐磨損、抗氧化及強(qiáng)韌化機(jī)理。
　　 相比熱壓燒結(jié),電弧熔煉法制備(Mo1-xNbx)5Si3合金具有高的相對(duì)密度和顯微硬度,但斷裂韌性和抗壓強(qiáng)度較低。兩種方法制備的Mo3Nb

3、2Si3合金顯微硬度、斷裂韌性及抗壓強(qiáng)度分別為1616.7HV、3.2 Mpa-m1/2、1017MPa和1334.6HV、4.7MPa.m1/2、1637MPa。電弧熔煉法制備(Mo1-xNbx)5Si3合金組織中形成了Mo5Si3/MoSi2層片組織,并對(duì)層片結(jié)構(gòu)形成機(jī)理及對(duì)合金性能的影響進(jìn)行研究。隨層片間距減小,合金顯微硬度、斷裂韌性和抗壓強(qiáng)度提高。通過截線法對(duì)片層間距和片層密度進(jìn)行計(jì)算,隨退火時(shí)間延長(zhǎng)層片間距先減小后增加,退火5

4、0h后,(Mo1-xNbx)5Si3(X=0,0.2,0.4)合金層片間距分別為57.3μm、48.2μm和24.9μm。
　　 (Mo1-xNbx)5Si3合金具有十分優(yōu)異的耐HCl和H2SO4溶液腐蝕性能,其腐蝕失重比1Cr18Ni9不銹鋼低100多倍。在較低電位下,合金表面的Mo形成MoO2鈍化膜,在較高電位下,MoO2鈍化膜形成H4MoO4而溶解破壞,同時(shí),表面的Si形成SiO2鈍化膜,從而使合金表現(xiàn)出二次鈍化現(xiàn)象。(M

5、o1-xNbx)5Si3金屬硅化物合金具有高的共價(jià)鍵組成,化學(xué)穩(wěn)定性好,能夠有效抵抗腐蝕溶液的侵蝕,提高了合金的耐蝕性。在NaOH溶液中,SiO2保護(hù)膜與溶液中的NaOH反應(yīng)生成Na2SiO4,破壞SiO2保護(hù)膜的完整性,耐腐蝕性降低。
　　 以MoO3-Si-Al為原料,機(jī)械球磨5h,原位合成了Al2O3.Mo3Si/Mo5Si3復(fù)合粉體,反應(yīng)以類似自蔓延高溫合成的爆炸模式進(jìn)行。球磨過程中優(yōu)先發(fā)生MoO3和Al之間的鋁熱反應(yīng),

6、隨后引發(fā)Mo-Si之間的一系列反應(yīng)。以MoO3-Mo-Si-Al為原料,通過控制原料中MoO3和Al的含量,可制備不同Al2O3含量(質(zhì)量比)的Al2O3/Mo5Si3復(fù)合粉體。20％Al2O3/Mo5i3復(fù)合粉體具有最佳的反應(yīng)特性及物相組成。球磨30h后,20％Al2O3/Mo5Si3復(fù)合粉體顆粒細(xì)小均勻,粒度在5μm以下,Al2O3和Mo5Si3的晶粒尺寸分別為29.9nm和42.7nm。1000℃退火1h后,復(fù)合粉體未發(fā)生物相轉(zhuǎn)變

7、,粉體具有較好的熱穩(wěn)定性。
　　 以MoO3-CuO-Mo-Si-Al為原料,采用機(jī)械化學(xué)還原法結(jié)合熱壓燒結(jié)制備了Cu-20％Al2O3/MO5Si3復(fù)合材料。復(fù)合材料組織均勻致密,隨Cu含量增加,組織細(xì)化,燒結(jié)致密度提高。細(xì)小的Al2O3顆粒存在于復(fù)合材料的晶界和晶內(nèi),形成“內(nèi)晶型”結(jié)構(gòu),強(qiáng)化基體;單質(zhì)Cu具有好的塑韌性,固溶或彌散分布在基體材料之中,改善基體的鍵合特性及界面結(jié)合,阻止裂紋擴(kuò)展,提高材料塑韌性。15％Cu-20

8、％Al2O3/Mo5Si3復(fù)合材料具有最佳的綜合力學(xué)性能,其顯微硬度、抗壓和抗彎強(qiáng)度及斷裂韌性分別為1090HV、2160MPa、512MPa和7.33MPa·m1/2。
　　 Al2O3和Cu的引入,提高了Mo5Si3的中低溫抗氧化性能,同時(shí)高溫抗氧化性能不降低。復(fù)合材料具有好的循環(huán)氧化特性,其氧化動(dòng)力學(xué)曲線近似呈拋物線規(guī)律。氧化過程由Si和O通過氧化膜的擴(kuò)散速率決定,由于O的擴(kuò)散速率低于Si的擴(kuò)散速率,造成Si的選擇氧化,在

9、氧化膜中有單質(zhì)的Mo殘留。在低溫下,Cu-20％Al2O3/Mo5Si3復(fù)合材料表面CuO與MoO3反應(yīng)生成流動(dòng)性較好的Cu3Mo2O9和CuMoO4,提高了氧化膜的致密性;在較高溫度下,由于Cu3Mo2O9和CuMoO4的熔融分解及助熔作用,使表面的SiO2和Al2O3形成了致密的Al6Si2O13莫來石保護(hù)層。實(shí)驗(yàn)材料長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)氧化后,出現(xiàn)了不同程度氧化失效。Mo5Si3氧化失效主要是氧化膜表面在較大熱應(yīng)力下產(chǎn)生開裂;20％Al2O

10、3/Mo5Si3復(fù)合材料表現(xiàn)為氧化層的局部剝落;Cu-20％Al2O3/Mo5Si3復(fù)合材料則主要是因?yàn)樵嚇有螤钤蛟斐傻倪吔翘帒?yīng)力集中,引起試樣邊角處出現(xiàn)裂紋,加快材料氧化。
　　 Cu-20％Al2O3/Mo5Si3復(fù)合材料具有好的耐摩擦磨損性能,以Si3N4陶瓷球?yàn)槟Σ粮?復(fù)合材料具有低的摩擦系數(shù)和磨損率,少量Cu的引入改善了復(fù)合材料的界面結(jié)合及塑韌性,提高材料的摩擦性能。以GCr15軸承鋼球?yàn)槟Σ粮?復(fù)合材料摩擦系數(shù)提高