Nb-Ti-C-B系鈮基復合材料及其抗氧化涂層的微觀組織與性能研究.pdf

1、航空航天技術(shù)的快速發(fā)展對超高溫環(huán)境下熱端部件材料的耐用溫度提出了更高的要求。難熔金屬鈮具有高的熔點(2468℃)、相對低的密度(8.57g/cm3)和良好的機械加工性能等優(yōu)點。因此，鈮基材料已被普遍認為是替代鎳基合金的一類極具應用前景的下一代超高溫結(jié)構(gòu)材料。但是，純鈮的高溫強度不高及抗氧化能力嚴重不足成為其發(fā)展應用的主要障礙。為提高鈮的強度，將混雜硬質(zhì)陶瓷相引入鈮或鈮合金基體制成鈮基復合材料取得了很好的強化效果。而提高鈮高溫抗氧化的方法

2、主要有合金化法和涂層法。合金化法雖對鈮材料的抗氧化性能有所改善，但抗氧化元素的加入需超過一定的臨界值才能對基體起到保護作用，這將損害材料的機械加工性能。表面涂層法是兼顧基體材料力學性能的同時，對其進行抗氧化防護的有效途徑。本文采用熔鑄法制備了新穎的混雜碳化物和硼化物強化Nb–Ti–C–B系鈮基復合材料，利用X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡、電子背散射衍射和能譜等技術(shù)對不同成分復合材料的組織結(jié)構(gòu)進行了研究，并測試評價了各材料的硬度、室溫壓縮

3、性能、室溫斷裂韌性和高溫壓縮性能，探討了復合材料的增強及破壞機制。然后，利用熔鹽法在不同基體材料表面制備了硅化物涂層借以提高其抗氧化性，并利用X射線衍射技術(shù)、掃描電鏡和能譜等分析方法研究了涂層的組織結(jié)構(gòu)，測試了涂層的高溫抗氧化性和抗熱震性，探討了涂層的形成機制、抗氧化機理和失效機制。
　　熔鑄法制備的Nb–Ti–C–B鈮基復合材料由體心立方的Nbss、面心立方的碳化物(Nb,Ti)C和正交的硼化物(Nb,Ti)B相組成。細小混雜的

4、(Nb,Ti)C和(Nb,Ti)B相分布在樹枝狀Nbss周圍呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。(Nb,Ti)C/Nbss和(Nb,Ti)B/Nbss的界面潔凈，無反應層。樹枝狀Nbss作為初生相，剩余液相以(Nb,Ti)C、(Nb,Ti)B和Nbss共晶組織的形式形成于枝晶間的網(wǎng)狀組織中。Ti在Nb中的固溶及低密度硼化物碳化物的生成使得復合材料具有比純鈮更低的密度。力學性能測試結(jié)果表明，復合材料網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中第二相含量的增加提高了材料的硬度和室高溫抗壓強度，但

5、降低了室溫斷裂韌性。材料在經(jīng)受外力時，包含有大量混雜硬質(zhì)相的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可起到骨架支撐作用，借以提高材料的強度，但裂紋容易在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中萌生和擴展，當網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的硬質(zhì)相含量增高，裂紋的橋聯(lián)及大角度偏轉(zhuǎn)消失，材料的韌性下降。
　　Mo或W添加在復合材料中未引入新相及改變組成相的結(jié)構(gòu)，但發(fā)生了固溶現(xiàn)象。Mo添加復合材料的相組成為Nbss(Mo)、(Nb,Ti)C和(Nb,Ti,Mo)B；W添加復合材料的相組成為Nbss(W)、(Nb,Ti,

6、W)C和(Nb,Ti,W)B。Mo或W添加在復合材料中未改變混雜碳化物和硼化物網(wǎng)狀分布的特點，但其細化了樹枝狀Nbss晶粒及網(wǎng)狀組織，同時粗化針狀硼化物。Mo或W添加復合材料中，樹枝狀Nbss為初生相，其后枝晶間發(fā)生共晶反應形成碳化物和硼化物混雜分布的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。Mo或W的添加提高了復合材料的密度，且材料的密度隨著它們添加量的增加而增大。Mo或W的加入提高了材料的硬度和室高溫抗壓強度，但降低了材料的室溫斷裂韌性。固溶強化和初生Nbss晶粒

7、細化有助于材料硬度強度的提高，但基體的固溶硬化惡化了材料的韌性。
　　不同基體材料表面涂層由主體層(Nb,X)Si2和過渡層(Nb,X)5Si3組成。(Nb,X)Si2晶粒呈納米量級，涂層較致密。850℃和1000℃循環(huán)氧化測試結(jié)果表明，無涂層復合材料在氧化很短時間內(nèi)即發(fā)生嚴重的氧化膜剝落開裂現(xiàn)象，而有涂層的材料經(jīng)受更長時間的氧化仍未出現(xiàn)氧化膜的剝落，涂層的存在大大提高了復合材料的抗氧化能力。不同基體涂層的氧化動力學曲線遵循拋物線