基于原位反应的B4C基复合陶瓷的组织性能及其扩散连接研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cklingdian
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B4C陶瓷是一种重要的非氧化物陶瓷,因其具有高硬度、低密度、耐腐蚀和较大的中子吸收截面等优异性能,在防护装甲、核能和耐磨领域应用广泛。然而B4C陶瓷的致密化烧结温度高、脆性大以及难以加工成复杂形状的构件以满足实际需求等弊端使B4C陶瓷的应用受到了限制。因此,降低B4C陶瓷的烧结温度、提高其强度和断裂韧性并发展可靠的B4C陶瓷连接技术十分必要。难熔金属硼化物(Hf B2、WB2、Zr B2)和Si C陶瓷具有优异的高温力学性能和抗氧化性能,若将其引入至B4C中有望改善其综合性能。本论文利用放电等离子烧结技术,以Hf Si2为烧结助剂,研究了烧结温度、烧结助剂含量对复合陶瓷微观组织和力学性能的影响。以Ti箔和Ni Co Cr高熵合金为中间层,研究了扩散焊焊接温度和保温时间对B4C-Hf B2-Si C复合陶瓷接头微观组织和力学性能的影响。在此基础上,研究了Si C纳米线(Si Cnw)的引入、同时添加两种(Hf Si2、WSi2)或三种烧结助剂(Hf Si2、WSi2和Zr Si2)对复合陶瓷微观组织和力学性能的影响。烧结温度为1650℃、Hf Si2烧结助剂含量为25 vol.%时所得B4C-Hf B2-Si C复合陶瓷综合力学性能最好,维氏硬度为31.3 GPa,断裂韧性为5.6 MPa·m1/2,室温下弯曲强度为573.9 MPa,400℃、600℃和800℃下的弯曲强度分别为540.7MPa、518.8 MPa和586.9 MPa。与纯B4C陶瓷相比,B4C-Hf B2-Si C复合陶瓷的抗氧化性大大提高。复合陶瓷综合性能的提高主要归因于Hf B2和Si C等强韧化相的形成。扩散焊温度为1050~1200℃、压力为20 MPa、保温时间为10~70 min的工艺参数下,使用Ti箔和Ni Co Cr高熵合金为中间层实现了B4C-Hf B2-Si C复合陶瓷的连接。当扩散焊温度为1200℃,保温时间为10min时,所得焊接接头力学性能最优,接头的三点弯曲强度为309.0 MPa。接头的弯曲强度随着保温时间的增加先升高后降低。烧结温度为1650℃、保温时间为10 min,原始粉末中体积百分含量B4C:Hf Si2=3:1的条件下,分别添加1 vol.%、3 vol.%、5 vol.%和7 vol.%的Si Cnw制备了B4C-Hf B2-Si C-Si Cnw复合陶瓷。Si Cnw的引入进一步提升了复合陶瓷的力学性能,但是相对密度和硬度均有一定程度的下降。当Si Cnw添加量为3 vol.%时,复合陶瓷综合力学性能最优,其相对密度、维氏硬度和断裂韧性分别为97.4%、28.2GPa和8.9 MPa·m1/2,在室温下的三点弯曲强度为698.9 MPa,在400℃、600℃和800℃下的弯曲强度分别为678.4 MPa、568.6 MPa和493.8 MPa。烧结温度为1650℃、保温时间为10 min的条件下,以15 vol.%的Hf Si2、15 vol.%的WSi2为烧结助剂、以10 vol.%Hf Si2、10 vol.%WSi2和10 vol.%Zr Si2为烧结助剂分别制备了B4C-Hf B2-WB2-Si C和B4C-Hf B2-WB2-Zr B2-Si C复合陶瓷。与只添加Hf Si2一种烧结助剂相比,复合陶瓷的力学性能随着添加烧结助剂种类的增加而增加,B4C-Hf B2-WB2-Zr B2-Si C复合陶瓷的力学性能最优。B4C-Hf B2-WB2-Zr B2-Si C复合陶瓷的相对密度、维氏硬度和断裂韧性分别是99.7%、30.6 GPa和6.2 MPa·m1/2,在室温下的三点弯曲强度为689.7 MPa,在400℃、600℃和800℃下的弯曲强度分别为585.9 MPa、737.2 MPa和782.5 MPa,复合陶瓷性能的提高主要依赖于板条状强韧化相的生成。
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