五元和六元高熵碳化物陶瓷的制备与性能研究

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高熵陶瓷因其具有优于传统陶瓷的良好性能,且更能满足极端服役环境下的严苛性能需求,近年来受到人们对这类材料的高度重视。通过调控材料组成、控制合适的烧结温度、保温时间,以能够获得单一高熵相、元素分布均匀且具有优良综合性能的多种高熵碳化物陶瓷。本论文以商用过渡金属碳化物为实验原料,利用放电等离子烧结工艺在不同的烧结温度下制备出四种不同的高熵碳化物陶瓷。对这些材料的物相、组织形貌和室温力学性能等方面进行比较与研究,最终确定出各类高熵碳化物适宜的烧结温度,并对其结构与性能进行表征。首先通过改变烧结温度和保温时间对五元(TiZrHfNbTa)C高熵陶瓷进行探究,得出最低单相固溶温度在1600~1700℃之间,最佳保温时间为10分钟。在此烧结工艺的基础上,为了得到了更好的力学性能,根据单相形成理论(EFA)与VC、WC的性质对高熵合成的基体材料进行调控,分别制备出五元(TiHfVNbTa)C高熵陶瓷,六元(TiHfVNbTaW)C高熵陶瓷和五元(TiHfVNbTa)C-SiCw高熵复相陶瓷。研究发现在高熵体系中通过VC代替Zr C,可以有效抑制微米级高熵相的晶粒生长。在1700℃烧结、保温10 min后获得(TiZrHfNbTa)C和(TiHfVNbTa)C高熵陶瓷样品的晶粒尺寸分别为3.48±1.44μm和1.55±0.57μm。同时,在此温度下的(TiHfVNbTa)C陶瓷具有良好的综合力学性能,室温下测得的三点弯曲强度达到了962.5±55.8 MPa,断裂韧性为5.2±0.1 MPa·m1/2。(TiHfVNbTa)C陶瓷的弯曲强度远远超过(TiZrHfNbTa)C等其他高熵碳化物陶瓷,提高的原因是细晶强化、第二相强化等多种强化机制共同作用的结果。以放电等离子烧结的方式制备的不同WC摩尔分数(0 mol.%、4 mol.%、8 mol.%、12 mol.%、16.67 mol.%)的六元(TiHfVNbTaW)C高熵陶瓷具有良好的面心立方晶体结构。研究发现W含量变化对高熵陶瓷中元素扩散产生较大影响,等摩尔比的HEC-16W具有更快的固溶速率。随着WC含量的增加,(TiHfVNbTaW)C高熵陶瓷的相对密度略有降低,但都保持在95%以上。各金属元素分布基本均匀,存有少量未完全固溶的Ta和Nb。此外,从力学性能方面来看,六元(TiHfVNbTaW)C高熵陶瓷均表现出高于五元(TiHfVNbTa)C高熵陶瓷的弯曲强度和弹性模量,其中HEC-8W材料的综合力学性能最优。研究了不同体积分数的SiC晶须含量(0 vol.%,5 vol.%,10 vol.%,15 vol.%,20 vol.%)对于五元(TiHfVNbTa)C-SiCw高熵复相陶瓷的影响。XRD结果显示高熵相(TiHfVNbTa)C与SiCw之间保持稳定的化学相容性。显微结构表明,SiC晶须相对均匀的分布在高熵基体相中,只有很少的第二相会发生团聚现象。通过添加SiCw,高熵复相陶瓷的力学性能除了弯曲强度,都得到了明显的改善,这是因为晶须对裂纹的扩展起到了阻碍作用,其增韧机制包括SiCw第二相引起的裂纹偏转和晶须桥接效应。
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