Mo-Si-B三元系中T2相合金的氧化行为及其动力学研究

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Mo5SiB2(T2)相是Mo-Si-B三元系中唯一的一个三元化合物,不仅具有最高的熔点(约2200℃)和相对低的密度(约8.864g/cm3),其高温强度和抗蠕变性能也明显高于MoSi2和Mo5Si3。因此,T2相合金被视为一种极具竞争力的超高温结构材料。由于高温的服役环境,T2相合金抗氧化性能方面的研究是必不可少的。本课题利用放电等离子烧结技术(SPS),通过变化烧结温度得到了高纯度、高致密的T2合金。通过循环氧化实验、XRD物相分析、SEM形貌观察及EDS元素分析等手段,系统研究了合金在500~1200℃下的氧化行为,分析了材料的氧化机制和氧化动力学,并对T2相含量与合金致密度等因素对氧化行为的影响进行了探讨。主要结论如下:在SPS烧结中,随着烧结温度的升高,合金中T2相的含量增多,Mo3Si、Mo等第二相减少,而相对密度表现为先增大后减小。综合考虑,最优化的烧结温度为1650℃。经过循环氧化实验,T2合金在不同温度下的氧化行为存在明显差异,遵循不同的氧化规律,说明存在不同的氧化机制。在温度范围Ⅰ(500-600℃)内,合金遵循抛物线型的氧化增重规律,氧化表面生成有少量的MoO3,由于温度较低,氧化程度较弱,合金截面上没有出现明显的氧化层结构。温度范围Ⅱ时(700℃左右)合金的氧化反应主要受MoO3的快速生成和强烈挥发所控制,表现出近乎线性的氧化失重规律,合金表面生成硼硅酸盐氧化膜非常缓慢,由于不断的MoO3气泡冲出表面,氧化膜呈现不平整不致密的形态。尽管在氧化膜覆盖处由于氧分压降低生成了一些MoO2而非MoO3,但观察氧化截面还是可以看到氧化膜内含有大量的孔洞和裂纹,表明基体并无法得到完全的保护,因而50h后合金的氧化失重量高达70.92mg·cm-2。在温度范围Ⅲ(800-1000℃)内,合金遵循抛物线型的氧化失重规律,随着温度的升高,保护性硼硅酸盐膜的生成速率加快,氧化速率常数逐渐减小(1000℃时氧化速率常数仅-0.4624mg2·cm-4·h-1)。1000℃时合金表面被连续、完整、致密的硼硅酸盐氧化膜所覆盖,并且氧化膜粘度较高,可以有效阻碍氧气的进入和MoO3的挥发。观察截面发现基体上出现了三层结构:最外层的硼硅酸盐氧化膜,次外层的MoO2层,以及Mo中间层,表明合金得到充分的保护。在温度范围Ⅳ(1100-1200℃)内,尽管合金仍表现出类似于温度范围Ⅲ的抛物线失重行为,但稳定阶段的失重趋势增加,主要是由于热应力的影响。1200℃氧化1h后氧化膜内热应力为609MPa,较1000℃时(475MPa)有所增加,使得氧化后期硼硅酸盐保护膜破裂,从基体上有所脱落,MoO2层消失,Mo固溶体中间层也变得不规则。T2相含量和致密度对氧化行为产生影响,通过不同烧结温度试样的循环氧化实验,结果表明,这两种因素并没有改变合金在各温度范围内所遵循的氧化动力学规律,但在相同氧化条件下,T2相含量高、致密度高的试样表面更有利于致密硼硅酸盐保护膜的生成和覆盖,因而质量变化最少,抗氧化性最好。
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