(TiZrHfNbTaMe)C(Me=V,Cr,Mo,W)高熵陶瓷的显微组织与性能

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高熵陶瓷因独特的成分、微结构、可调控性以及各种潜在应用引起了广泛关注。本课题采用直接热压烧结及碳热还原辅助热压烧结两种方法首次制备出了四种不同组元的(TiZrHfNbTaMe)C(Me=V,Cr,Mo,W)高熵陶瓷。对比研究了四种六元碳化物高熵陶瓷的物相、组织结构和性能;研究了热处理温度对四种六元高熵陶瓷组织结构的影响,探究了Me元素对高熵陶瓷的氧化行为的影响。使用碳化物粉体,采用1850℃保温1h,2200℃保温1h,加压30MPa的热压烧结工艺制备出面心立方结构的单相(TiZrHfNbTaMe)C(Me=Cr,Mo,W)高熵陶瓷,其中(TiZrHfNbTaMo)C高熵陶瓷的力学性能最优,其弹性模量、抗弯强度、维氏硬度和断裂韧性分别为507±9.38GPa、403±10MPa、23.3±0.39GPa、4.1±0.35MPa?m1/2。除Zr元素存在少量富集,其余元素在陶瓷内分布均匀。经实验发现以氧化物和炭黑为原料制备所需的碳化物粉体可以有效的避免氧污染,首先采用热力学软件FactSage7.2进行计算,计算表明在100MPa的条件下,ZrO2的碳热还原温度最高,需要高于1204°C并且需要保温一段时间,才可以使所有的氧化物粉体完全转变为碳化物粉复合粉体;结合实际实验及动力学发现,碳热还原温度达到1500°C并保温1小时,最终可以得到不含氧化物的碳化物复合粉体,粉体的粒径在150-300nm之间。使用碳热还原制备的碳化物复合粉体,采用相同的热压烧结工艺制备了(TiZrHfNbTaMe)C(Me=V,Cr,Mo,W)高熵陶瓷。结果表明,四种碳化物高熵陶瓷均为面心立方结构,致密度分别为:99.4%、99.6%、99.2%、98.4%,晶粒尺寸分别为:3.24±0.22μm、2.17±0.31μm、1.75±0.43μm、2.57±0.47μm。对(TiZrHfNbTaV)C高熵陶瓷进行透射分析发现,金属元素在纳米尺度上分布均匀,无任何化学聚集的现象。(TiZrHfNbTaMo)C高熵陶瓷力学性能最优,弹性模量、抗弯强度、维氏硬度和断裂韧性分别为538±10.03GPa、465±12.5MPa、25.4±1.1GPa和4.2±0.52MPa?m1/2。原始粉末对制备的高熵陶瓷在显微组织和力学性能存在一定的影响,经实验发现,使用碳热还原辅助热压烧结制备的高熵陶瓷具备更优异的力学性能,且材料更加致密,元素分布更加均匀。(TiZrHfNbTaMe)C(Me=V,Cr,Mo)高熵陶瓷经过12002000℃的热处理之后,其物相和组织稳定性良好,研究了Me元素对三种高熵陶瓷抗氧化性能的影响,通过截面厚度随温度的变化的曲线发现,(TiZrHfNbTaV)C高熵陶瓷的抗氧化性最好。研究了(TiZrHfNbTaV)C高熵陶瓷的氧化行为,发现在800°C下陶瓷的氧化增重曲线成抛物线变化,为扩散控制机制。刚开始氧化时,生成棒状复杂的氧化物,氧化表面不致密,随着氧化时间的增加,氧化层逐渐致密,有效的防止进一步氧化。(TiZrHfNbTaV)C高熵陶瓷抗氧化性能良好。
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