改善Nb-Nb5Si3高溫抗氧化性能的研究.pdf

1、Nb/Nb5Si3原位復(fù)合材料因其具有高熔點(diǎn)、高剛度、低密度以及極高的高溫強(qiáng)度被認(rèn)為是最具開發(fā)前景的高溫結(jié)構(gòu)材料。但是Nb/Nb5Si3原位復(fù)合材料的高溫抗氧化性能極差，阻礙了它作為高溫結(jié)構(gòu)材料而被廣泛應(yīng)用，因此本課題的目的就是研究改善Nb/Nb5Si3原位復(fù)合材料的高溫抗氧化性能。
　　本文以Nb、Si元素粉末為原料，采用SPS放電等離子方法制備Nb/Nb5Si3原位復(fù)合材料。采用循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)計(jì)算材料的氧化速率，利用光學(xué)顯微鏡（

2、OM）、掃描電鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）和電子探針微區(qū)分析（EPMA）等手段分析了材料氧化膜的組織結(jié)構(gòu)。著重研究了合金元素對(duì)Nb/Nb5Si3原位復(fù)合材料的抗高溫氧化性能的影響并探討了材料的抗高溫氧化機(jī)理。
　　通過(guò)研究，取得了如下成果：
　　1、加入合金元素Al能有效提高Nb/Nb5Si3原位復(fù)合材料的抗高溫氧化性能。在800℃下氧化時(shí)，隨著其加入量的增加，Nb/Nb5Si3復(fù)合材料的氧化速率迅速減小，當(dāng)Al含量達(dá)

3、到15at％時(shí)氧化速率僅為基體復(fù)合材料的1/11。合金元素Al的加入在其氧化膜中增加了 Al2O3氧化產(chǎn)物，Al2O3氧化產(chǎn)物可以形成致密的氧化膜，從而可以大大提高復(fù)合材料的抗高溫氧化能力。
　　2、加入合金元素Ti也能改善Nb/Nb5Si3原位復(fù)合材料的抗高溫氧化性能，在800℃下氧化時(shí)，隨著Ti加入量的增加，Nb/Nb5Si3復(fù)合材料的氧化速率不斷減小，當(dāng)Ti加入量達(dá)到24at%時(shí)氧化速率僅為基體復(fù)合材料的1/6.5。Ti元素

4、的加入使其氧化膜中增加了 TiO2和Ti2Nb10O29等氧化產(chǎn)物，這些氧化產(chǎn)物顆粒排列緊密能形成保護(hù)性氧化膜，從而可以提高其抗高溫氧化能力。
　　3、合金元素Cr會(huì)顯著影響Nb/Nb5Si3原位復(fù)合材料的抗高溫氧化性能，在800℃和1100℃下氧化時(shí)，隨著Cr加入量的增加，Nb/Nb5Si3復(fù)合材料的氧化速率都是先減小，當(dāng)加入量達(dá)到3at%時(shí)氧化速率最小，然后隨著加入量的增加，氧化速率又開始迅速升高，當(dāng)加入量為5at%時(shí)反而使復(fù)

5、合材料的抗高溫氧化性能降低。
　　4、合金元素W會(huì)影響Nb/Nb5Si3原位復(fù)合材料的抗高溫氧化性能，在800℃下氧化時(shí)，隨著W加入量的增加，Nb/Nb5Si3復(fù)合材料的氧化速率先增大，然后減小，加入量為8%時(shí)抗氧化性能最好；而在1100℃下氧化時(shí)，隨著 W加入量的增加，Nb/Nb5Si3復(fù)合材料的氧化速率都是先減小，然后增大，加入量為5%時(shí)抗氧化性能最好。
　　5、合金元素 Y2O3會(huì)影響 Nb/Nb5Si3原位復(fù)合材料的

6、抗高溫氧化性能，在800℃下氧化時(shí)，隨著 Y2O3加入量的增加，Nb/Nb5Si3復(fù)合材料的氧化速率逐漸減小，加入量為2wt%時(shí)，鈮硅復(fù)合材料的氧化速率最??；而在1100℃下氧化時(shí)，隨著Y2O3加入量的增加，Nb/Nb5Si3復(fù)合材料氧化速率先增加后減小，加入量為2wt%時(shí)復(fù)合材料的氧化速率最小。
　　6、在800℃下氧化時(shí)Cr是影響復(fù)合材料的高溫抗氧化性能的主要影響因素，然后依次是W、Y2O3、Ti。抗氧化性能最好的合金化方案為

7、：22at%Ti、3at%Cr、8at%W、2wt%Y2O3。在1100℃下氧化時(shí) Cr仍是影響復(fù)合材料的高溫抗氧化性能的影響主要因素，然后依次是 Y2O3、Ti、W?？寡趸阅茏詈玫暮辖鸹桨笧椋?0at%Ti、3at%Cr、5at%W、2wt%Y2O3。
　　7、在Nb/Nb5Si3原位復(fù)合材料中添加Al、Ti、Cr元素能得致密的、較完整的氧化膜，并且這三種元素都能與氧相互作用增加復(fù)合材料中與氧發(fā)生反應(yīng)的溶質(zhì)數(shù)，從而削落 Nb