ZrB2基陶瓷材料氧化行為及預(yù)氧化對材料性能影響機理研究.pdf

1、高超聲速飛行器獨特的升力體結(jié)構(gòu)及惡劣的服役環(huán)境，使得熱防護材料在承受極大的熱載荷的同時，還需要滿足維形、承載及可重復(fù)使用等要求。ZrB2基超高溫陶瓷材料因其優(yōu)異的綜合性能而被視為高超聲速飛行器關(guān)鍵熱部件的首選材料之一。然而長期以來對超高溫陶瓷材料在模擬服役環(huán)境下的氧化行為及材料表面氧化對材料綜合性能影響的研究還不夠充分。本文針對ZrB2基超高溫陶瓷材料服役環(huán)境特點，研究了材料在模擬真實服役環(huán)境下的氧化行為及氧化層微結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，建立了

2、ZrB2-SiC材料氧化動力學(xué)模型，探討了材料氧化機理，并在此基礎(chǔ)上評價了材料表面氧化與材料彎曲強度、抗熱沖擊性能、表面磨削性能、輻射特性及表面溫度響應(yīng)等綜合性能的相互作用關(guān)系。
　　ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料的氧化行為及抗氧化性能受氣體壓力和氧化溫度共同作用。氣體總壓影響著表面玻璃相的揮發(fā)，而氧分壓決定了氧化機制的轉(zhuǎn)變及氧通量的大小。隨著壓力的降低，ZrB2-SiC材料發(fā)生惰性氧化向活性氧化的轉(zhuǎn)變，氧化層厚度也表現(xiàn)出先增大后

3、減小的趨勢。同時，氧化溫度影響著材料氧化反應(yīng)活性及氧化產(chǎn)物的揮發(fā)，溫度的升高將顯著促進材料氧化。
　　在原子氧環(huán)境下氧化后，ZrB2-SiC材料氧化層明顯增厚。原子氧具有更高的氧化活性，促進了材料的氧化反應(yīng)。但原子氧氧化后的產(chǎn)物、表面形貌及氧化層微結(jié)構(gòu)同分子氧氧化相比并沒有明顯區(qū)別。
　　ZrB2-SiC材料的氧化模式受溫度及氧分壓的共同作用，隨著溫度的升高，材料的惰性氧化/活性氧化轉(zhuǎn)變的氧分壓也不斷增大。第二相SiC的氧化

4、顯著影響著ZrB2-SiC材料的氧化行為及抗氧化性能。SiC的氧化依賴于反應(yīng)區(qū)內(nèi)的氧分壓，在氧化層與基體界面處，氧優(yōu)先與SiC晶粒氧化，較低的氧分壓促進SiC晶?；钚匝趸⒅饾u收縮，最終完全耗盡留下孔洞。
　　ZrB2-SiC材料氧化層厚度隨時間的增加呈近似拋物線趨勢；而與氧化時間相比，氧化溫度的影響更為顯著。材料在1700℃氧化后，試樣表面分布著大小不均的“凹坑”和“鼓包”，平整度顯著下降，伴隨著耗盡層的出現(xiàn)氧化層厚度有大幅增加

5、，在1900℃有部分氧化層出現(xiàn)較大尺寸裂紋，到2000℃后氧化層穩(wěn)定性顯著惡化。
　　建立了ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料氧化模型，評價了初值、時間步長、孔隙率對計算結(jié)果的影響。計算得到的氧化層厚度隨時間及溫度的變化趨勢與實驗結(jié)果相符合，氧化層厚度與實驗值吻合較好。計算發(fā)現(xiàn)，氧化產(chǎn)物的飽和蒸汽壓、表面玻璃相粘度、不同介質(zhì)中氧的擴散/滲透系數(shù)、孔隙率、氧化過程中試樣表面氣流速度等參數(shù)對氧化層厚度有顯著影響。對計算誤差分析表明，在高溫

6、下大量氣相物質(zhì)以氣泡的形式從表面玻璃相中冒出，這種模型中沒有考慮到的現(xiàn)象加速了玻璃相的蒸發(fā)及氧化產(chǎn)物的傳輸，對氧化層厚度有顯著影響。
　　ZrB2-SiC材料氧化后生成的表面玻璃相及ZrO2均有助于提高材料彎曲強度，且玻璃相的作用更為顯著。但在試樣表面包覆樹脂或B2O3玻璃相后，試樣強度并沒有顯著變化。在1300℃氧化后的ZrB2-SiC試樣強度要低于900℃氧化的強度，氧化溫度的提高增加了氧化層缺陷含量不利于材料的強度。而在有限

7、的時間內(nèi)，氧化時間對材料強度的影響不大。此外由于熱膨脹失配，玻璃相的存在可在表面形成殘余壓應(yīng)力，有利于材料的力學(xué)性能。對于ZrB2-SiC-G材料，表面氧化后試樣強度變化規(guī)律與ZrB2-SiC試樣大致相同。唯一的區(qū)別是，由于石墨相的存在，試樣900℃氧化并浸泡后的表面較為粗糙且含有大量缺陷，其彎曲強度低于原始強度。由于B2O3玻璃相的穩(wěn)定性較差，ZrB2-SiC-G材料的預(yù)氧化處理溫度應(yīng)在1200℃以上。
　　表面氧化能顯著提高超

8、高溫陶瓷材料的抗熱沖擊性能。在空氣中預(yù)氧化后的ZrB2-SiC試樣其臨界熱震溫差最大，而在1500℃/500Pa預(yù)氧化的試樣，經(jīng)水淬后試樣殘余強度保持率最高，試樣的完整性較好。ZrB2-SiC-G材料在1300℃氧化后，隨氧化時間由0.5 h增加至4 h，試樣的臨界熱震溫差不斷增大。
　　由于表面玻璃相的存在，在空氣中預(yù)氧化的試樣具有較高的發(fā)射率。而在1500℃/1000Pa預(yù)氧化的試樣，其發(fā)射率在2.5~25μm整個波長范圍內(nèi)都

9、保持了較低的水平。ZrB2-SiC原始試樣的發(fā)射率隨溫度的變化是材料表面氧化的結(jié)果，在700℃試樣表面發(fā)生氧化，試樣發(fā)射率有顯著增加，900℃時原始試樣發(fā)射率與空氣中預(yù)氧化的試樣的發(fā)射率基本相當。整體上試樣的發(fā)射率隨溫度的升高而不斷增大。
　　在相同的燒蝕條件下，ZrB2-SiC原始試樣及在空氣中預(yù)氧化的試樣表現(xiàn)出相似的燒蝕行為，具有較低的表面溫度；而經(jīng)1500℃/100Pa預(yù)氧化的試樣表面溫度超過2300℃。ZrB2-SiC試樣