基于Mo5Si3難熔金屬硅化物的合金化與復合化改性.pdf

1、Mo-Si系金屬硅化物(Mo5Si3)具有高熔點、低密度、高強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用前景。但是,其室溫脆性大、高溫強度不足以及中溫抗氧化性差等缺點阻礙了其實際應用。合金化和復合化是改善金屬硅化物性能的常用方法?；贛o5Si3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,并對其微觀結(jié)構(gòu)、力學性能及耐腐蝕性能進行了研究。基于原位復合化,研

2、究了MoO3-Si-Al、MoO3-Mo-Si-Al及MoO3-CuO-Mo-si-Al體系的機械合金化過程、產(chǎn)物及合成機理;并結(jié)合熱壓燒結(jié)制備了Cu和Al2O3原位強韌化的Cu-Al2O3/Mo5Si3塊體復合材料,系統(tǒng)研究了復合材料的力學性能、顯微組織、耐磨損、抗氧化及強韌化機理。
　　 相比熱壓燒結(jié),電弧熔煉法制備(Mo1-xNbx)5Si3合金具有高的相對密度和顯微硬度,但斷裂韌性和抗壓強度較低。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,并對層片結(jié)構(gòu)形成機理及對合金性能的影響進行研究。隨層片間距減小,合金顯微硬度、斷裂韌性和抗壓強度提高。通過截線法對片層間距和片層密度進行計算,隨退火時間延長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,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鍵組成,化學穩(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保護膜與溶液中的NaOH反應生成Na2SiO4,破壞SiO2保護膜的完整性,耐腐蝕性降低。
　　 以MoO3-Si-Al為原料,機械球磨5h,原位合成了Al2O3.Mo3Si/Mo5Si3復合粉體,反應以類似自蔓延高溫合成的爆炸模式進行。球磨過程中優(yōu)先發(fā)生MoO3和Al之間的鋁熱反應,

6、隨后引發(fā)Mo-Si之間的一系列反應。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復合粉體。20％Al2O3/Mo5i3復合粉體具有最佳的反應特性及物相組成。球磨30h后,20％Al2O3/Mo5Si3復合粉體顆粒細小均勻,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,采用機械化學還原法結(jié)合熱壓燒結(jié)制備了Cu-20％Al2O3/MO5Si3復合材料。復合材料組織均勻致密,隨Cu含量增加,組織細化,燒結(jié)致密度提高。細小的Al2O3顆粒存在于復合材料的晶界和晶內(nèi),形成“內(nèi)晶型”結(jié)構(gòu),強化基體;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,阻止裂紋擴展,提高材料塑韌性。15％Cu-20

8、％Al2O3/Mo5Si3復合材料具有最佳的綜合力學性能,其顯微硬度、抗壓和抗彎強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,同時高溫抗氧化性能不降低。復合材料具有好的循環(huán)氧化特性,其氧化動力學曲線近似呈拋物線規(guī)律。氧化過程由Si和O通過氧化膜的擴散速率決定,由于O的擴散速率低于Si的擴散速率,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復合材料表面CuO與MoO3反應生成流動性較好的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莫來石保護層。實驗材料長時間循環(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力下產(chǎn)生開裂;20％Al2O

10、3/Mo5Si3復合材料表現(xiàn)為氧化層的局部剝落;Cu-20％Al2O3/Mo5Si3復合材料則主要是因為試樣形狀原因造成的邊角處應力集中,引起試樣邊角處出現(xiàn)裂紋,加快材料氧化。
　　 Cu-20％Al2O3/Mo5Si3復合材料具有好的耐摩擦磨損性能,以Si3N4陶瓷球為摩擦副,復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軸承鋼球為摩擦副,復合材料摩擦系數(shù)提高