ZrC-SiC添加LaB6复相陶瓷的微观组织与性能研究

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ZrC作为一种典型的超高温陶瓷材料,因其具有超高熔点、高硬度、高温强度等优异性能,在航空航天、军事、能源等领域受到科研工作者的关注。研究了添加不同含量的SiC晶须(SiCw)、SiC纳米颗粒(SiCn)、LaB6粉末对ZrC-SiC添加LaB6复相陶瓷(简写为ZrC-SiC-LaB6复相陶瓷)的微观组织、相对密度、力学性能和烧蚀性能的影响规律。本文通过对SiC晶须、SiC纳米颗粒、LaB6粉末的含量进行优化设计,采用热压烧结工艺分别制备了ZrC-20SiCw-0SiCn-10LaB6复相陶瓷,ZrC-15SiCw-10SiCn-10LaB6复合材料,ZrC-10SiCw-15SiCn-10LaB6复相陶瓷,ZrC-15SiCw-15SiCn-10LaB6复相陶瓷,并对ZrC-SiC-LaB6复相陶瓷的物相组成、相对密度、微观结构、力学性能、烧蚀性能进行了测试,并深入探讨了SiC晶须、SiC纳米颗粒、LaB6粉末的含量对材料的微观结构、相对密度、力学性能以及烧蚀等性能的影响,分析了ZrC-SiC-LaB6复相陶瓷的强韧化机制及烧蚀机理。四组不同配比的ZrC-SiC-LaB6复相陶瓷的相对密度均在98%以上,特别是ZrC-15SiCw-15SiCn-10LaB6复相陶瓷是四组试样中最高的,其相对密度达到最大值99.77%。对制备的四组ZrC-SiC-LaB6复相陶瓷进行力学性能测试,其中抗弯强度最大值为556.92MPa,断裂韧性最大值为4.79MPa·m1/2。ZrC-SiC-LaB6复相陶瓷的断裂模式为穿晶/沿晶混合断裂;其强韧化机制主要有:裂纹偏转、晶须传递载荷、晶须断裂及拔出、细晶强化、弹性模量与热膨胀系数失配、残余应力等。采用氧-乙炔烧蚀实验对四组不同配比的ZrC-SiC-LaB6复相陶瓷的烧蚀性能做出评价,分析其烧蚀机理。结果表明,经过180s氧-乙炔焰烧蚀后,四组烧蚀试样的质量烧蚀率与线烧蚀均较低,其中ZrC-15SiCw-10SiCn-10LaB6复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀分别仅为0.74×10-4g/s和15.00×10-4mm/s,表面氧化层中B2O3、SiO2、La2Zr2O7玻璃相在依次升高的温度下生成并覆盖在烧蚀试样表面,玻璃相具有一定的粘度和流动性与ZrO2结合紧密,形成致密的保护层,而且SiC晶须贯穿ZrO2晶粒,防止氧化层被高温高速气流剥蚀,抑制氧气向内部扩散;过渡层中碳氧化物夹层处于表面氧化层与基体层之间,进一步抑制氧气向内部扩散,经过表面氧化层和过渡层的保护,有效提高了ZrC-SiC-LaB6复相陶瓷的烧蚀性能。
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