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三元层状陶瓷Mn+1AXn(简称MAX相,其中M为过渡族金属元素,A主要为ⅢA和ⅣA族元素,X为C或N,n主要为1、2、3,)是一类新型可加工的结构陶瓷材料,它综合了金属和陶瓷的优良特性,如良好的耐高温、抗氧化性、耐腐蚀性,良好的导电、导热性,具有高强度,高弹性模量,还有较好的塑性及机械可加工性。Ta2AlC、Cr2AlC和Ti2AlC(文中统称为M2AlC相)属于三元层状陶瓷MAX相中的211相,是三元层状陶瓷优良性能的典型代表,具有潜在的应用价值。 本文采用热压烧结工艺合成制备三元层状Ta2AlC、Cr2AlC和Ti2AlC陶瓷材料,利用XRD、SEM分析三元层状陶瓷材料的物相组成和微观形貌,并通过冲刷磨损试验,恒温氧化、循环氧化及高温烧蚀试验,研究Ta2AlC、Cr2AlC、Ti2AlC三种陶瓷材料的耐冲刷磨损性能、高温抗氧化性能及超高温条件下的抗烧蚀性能,通过分析氧化和烧蚀后的陶瓷材料的物相组成,氧化表面、截面微观组织结构,氧化动力学曲线和材料的烧蚀率,评价所制三元层状陶瓷的抗高温氧化性能和耐烧蚀性能。 三元层状陶瓷材料的耐冲刷磨损性能与材料的组织结构有关,裂纹越少,材料耐冲刷性能越好。在冲刷角度为90°时,材料同时受到正应力冲击和微切削作用,表现出塑性材料和脆性材料的冲刷特征,材料的流失既有轴向和径向的微裂纹扩展导致的晶粒剥落,还有表面微切削作用产生的犁沟。Ta2AlC、Cr2AlC、Ti2AlC材料的冲刷磨损率分别为11.34%、14.38%和20.06%,Ta2AlC具有最好的抗冲刷磨损性能。 在800℃、900℃和1000℃的恒温氧化与循环氧化过程中,三元层状陶瓷材料 Ta2AlC、Cr2AlC、Ti2AlC的表面均有氧化层覆盖,且随着氧化时间的增加和氧化温度的提高,氧化层厚度增加。Ta2AlC表面的主要氧化产物为Ta2O5,Cr2AlC主要氧化产物为Al2O3,Ti2AlC的主要氧化产物为TiO2。由于Ta2AlC的氧化产物Ta2O5不够致密,不能形成有效的保护作用,且在恒温氧化和循环氧化过程中,表面氧化层发生剥落,抗氧化性较差,氧化动力学曲线遵循直线规律。Ti2AlC在恒温氧化和循环氧化过程中均形成比较厚的氧化层,无氧化层剥落现象发生,氧化动力学曲线满足抛物线规律。Cr2AlC在氧化过程中表面快速形成一层比较薄的致密氧化层,随着氧化时间的增长,氧化增重趋于平缓,其恒温氧化动力学曲线符合抛物线规律,在900℃恒温氧化和循环氧化过程中,由于C的流失,氧化动力学曲线表现为失重,Cr2AlC总体上表现为良好的抗氧化性。 氧乙炔烧蚀过程中,三元层状陶瓷 Ta2AlC、Cr2AlC、Ti2AlC均具有良好的抗热震性能,经过高温热冲击后表面未出现宏观热震破坏,同时烧蚀过程中,有空气中的N2参与反应,有少量含氮化合物生成。Ta2AlC、Cr2AlC和Ti2AlC的线烧蚀率分别为2.08×10-4mm/s、0.25×10-4mm/s和6.08×10-4mm/s,质量烧蚀率分别为1.58×10-5g/s、0.27×10-5g/s和4.9×10-5g/s,Cr2AlC具有较强的耐烧蚀性。