热压烧结TaC陶瓷材料的力学性能和抗腐蚀性能吕绪明

热压烧结热压烧结TaCTaC陶瓷材料的力学性能和抗腐蚀性能吕绪明陶瓷材料的力学性能和抗腐蚀性能吕绪明 第 卷第 期 年 月稀有金属与硬质合金 热压烧结 陶瓷材料的力学性能和抗腐蚀性能吕绪明 马 贤 王丁丁 罗立平 陈 磊 王玉金 核工业理化工程研究院 天津 哈尔滨工业大学特种陶瓷研究所 黑龙江哈尔滨 摘 要采用热压烧结工艺制备 陶瓷材料 研究了烧结温度对材料 的组织结构和力学性能的影响规律 采用包覆法进行 陶瓷材料的抗熔融铈腐蚀试验 利用扫描电 镜 和 射线衍射仪 对腐蚀后的性能进行表征 揭示材料的腐蚀机理 结果表明随烧结温度的升高 陶瓷材料的致密度和力学性能 都有不同程度的提升 当烧结温度达到 时 致密度达到了 力学性能也达到最佳 陶瓷材料在 下抗熔融铈腐蚀试验中 随腐蚀时间的延长 腐蚀速率逐 渐下降 在腐蚀时间为 时速率降至 陶瓷材料腐蚀后 物相没有变化 腐蚀机理由初始阶段的晶 界腐蚀逐渐转变为晶粒腐蚀 关键词 陶瓷 热压烧结 熔融铈 力学性能 抗腐蚀性能 陶瓷材料因具有高熔点 高硬度 高弹性模量 良好的抗热震性能及高温力学性能 被广泛应用于航天航 空推进系统 火箭喷嘴等超高温领域 由于碳化物原子之间依靠强共价键结合 难以烧结致密 国内外制 备 陶瓷材料的方法主要为热压烧结法 反应强化 烧结法 和放电等离子烧结法 并且研究的热点 主要集中在烧结工艺对其致密度 微观 修 订日期 通讯作者陈 磊 男 博士 助理研究员 从事超高温陶瓷材料 复合材料的制备及其热处理等方面相关的工作 第 期吕绪明 等热压烧结 陶瓷材料的力学性能和抗腐蚀性 能结构和力学性能的影响 在高温抗腐蚀性能方面尚未有报道 金属铈的化学性质非常活泼 常温下在空气中极易氧化 高温下腐 蚀速率显著加快 且易与坩埚材料发生反应 因此 本文利用制备工艺相对成熟的热压烧结方法制备 陶瓷 材料 研究烧结温度对材料的组织结构和力学性能的影响 并对其 进行抗熔融铈腐蚀试验 利用 和 对腐蚀后的性能进行 表征 进而揭示腐蚀机理 试验方法 陶瓷材料的制备试验所用材料为 的 粉 其 平均粒径为 称取一定质量的粉料装填在涂有氮化硼的石墨模具中进行热压烧结 制备 陶瓷材料 烧结温度分别为 烧结压力为 保温时间为 升温 和降温速率分别为 和 分析表征 物理性能和力学性能采用 型扫描电镜对材料的组织和断口形貌进行观察 采 用 型 射线衍射仪对材料的物相结构进行分析 采用精度为 的分析天平 利用阿基米德排水法原理测定 陶瓷材料的实际密度 在 型显微硬度计上测试 陶瓷材料的硬度 载荷为 保压时间为 每个样品测试 个点并取平均值 采用三点弯曲法在 型万能力学试验机上测试 陶瓷材料的抗弯强度和弹 性模量 压头移动速率为 试样尺寸为 跨度为 试验结果为 根试样的平 均值 采用单边切口梁法测量 陶瓷材料的平面应变断裂韧性 试样的尺寸为 跨距为 切 口深度为 压头移动速率为 断裂韧 性结果为 根试样的平均值 抗腐蚀性能将制备好的 陶瓷样品经酒精超声清洗且干燥后放 入坩埚中 样品周围被金属铈条包裹 盖上坩埚盖放入管式炉加热 至 升温速率为 保温时间分别为 试验结束冷却至室温后 取出加热后的样品放入 的稀盐酸中 浸泡 利用 化学反应 去除 表面粘附的金属铈 根据试验前后 陶瓷材料重量的变化计算材料的腐蚀速率 并 分别利用 和 对腐蚀后的 进行表面形貌和物相结 构的分析 试验结果与讨论 陶瓷材料的物相及显微组织分析图 为 下制备的 陶瓷材料的 图谱 与原材料 粉料的 谱对比 不同温度下热压烧结对 陶瓷材料的物相没有影响 无新的反应产物和杂质出现 所制得 的材料均为单相 陶瓷 图 不同烧结温度下 陶瓷材料的 图谱 图 为不同烧结温度下制备的 陶 瓷材料的表面形貌 烧结温度在 和 时 颗粒仅发生了局部烧结使粉料团聚粘结 表面 存在大量的贯穿性孔洞 没有使整个粉料烧结致密 致密度很低 在 烧结温度下 粉料表面已经明显烧结致密 贯穿性孔洞减 少 致密度提高 但表面不平整 晶粒内部和晶界处存在着许多大 小不一的孔洞 当烧结温度提高到 时 致密度进一步提高 气孔的分布位置开始由晶界转移 到了晶粒内部 烧结时获得的 平均晶粒尺寸为 而 烧结时快速增加到 这说明 陶瓷在 下烧结不完全 在 以上开始致密化 因此升高 温度有利于提高 陶瓷的致密度 同时陶瓷晶粒尺寸也明显增 大 稀 有 金 属 与 硬 质 合 金第 卷图 不同烧结温度下 陶瓷材料的显微组织 陶瓷材料的力学性能 表 列出了不同烧结温度下制备 陶瓷材料的相对密度及其力 学性能 在 和 下烧结制得的 陶瓷材料的致密度较低 相对密度不 足 而当烧结温度达到 时 材料的相对密度达到了 基本达到了材 料全致密的程度 同时 随烧结温度的升高 材料的维氏硬度 抗弯强度 弹性模量 和断裂韧性都有不同程度的提升 陶瓷材料的力学性能主要由其致密度和晶粒大小两个因素决 定 材料中的孔隙明显降低载荷作用的横截面积 并且孔隙处易于 产生局部应力集中 使力学性能降低 同时晶粒越大 晶界越少 导致在材料发生变形时位错运动的阻力减弱 也会使力学性能降低 随着烧结温度的增加 陶瓷材料的致密度增加 孔隙率降低 使力学性能提高 但当温度由 提高到 时 虽然致密度仍有提高 但晶粒尺寸也显著增大 两者 的共同作用造成力学性能变化不明显 因此 从材料的致密度和力学性能可以看出 烧结材料的各项性能已达到最优 是 陶瓷材料的最 佳烧结温度 若继续升高温度将会使晶粒持续长大 影响材料的力 学性能 图 为不同烧结温度下制备的 陶瓷材料的断口形貌 由图可知 试样的致密度是随着温度的升高逐渐提高的 当烧结温度达到 时 由于试样没有完全被烧结 断口形貌呈现多孔表 不同烧结温度下 陶瓷材料的密度及力学性能 烧结温度 相对密度 维氏硬度 抗弯强度 弹性模量 断裂韧性 第 期吕绪明 等热压烧结 陶瓷材料的力学性能和抗腐蚀性 能状的结构 颗粒与颗粒之间存在很多没有封闭的孔隙 断裂方式 为沿晶断裂 随着烧结温度逐渐提高到 以上 多孔状结构基本消失 在晶粒内部存在一些封闭的 圆形小气孔 断裂方式也逐渐由沿晶断裂方式向穿晶断裂方式转变 断裂消耗的能量逐渐增大 断裂韧性也相应地提高 图 不同烧结温度下 陶瓷材料的断口形貌 陶瓷材料的抗腐蚀性能根据上述 材料的力学性能分析 下热压烧结的材料性能最优 因此 将该温度下烧结的 陶瓷材料置于 的熔融铈中进行腐蚀试验 其腐蚀速率随时间的变化关系 如图 所示 陶瓷材料经 腐蚀时 腐蚀速率最大 达到 随腐蚀时间的延长 腐蚀速率逐渐下降 在腐蚀时间达到 时速率降至 对腐蚀后的试样进一步利用 进行物相表征 结果如图 所示 腐蚀不同时间后 陶瓷材料的衍射峰位完全相同 物相没有明 显的变化 表明 陶瓷材料在熔融铈中的物相组成整体稳定 陶瓷在 下的熔融铈中腐蚀不同时间的表面形貌如图 所示 陶瓷腐蚀 后表图 陶瓷经不同时间熔融铈腐蚀后的腐蚀速率 和 图 谱 稀 有 金 属 与 硬 质 合 金第 卷面开始变粗糙 部分尺寸较大的晶粒裸露出来 晶界被 腐蚀 并随着腐蚀时间的延长 裸露的晶粒越来越多 当腐蚀时间 达到 时 试样表面形貌发生较大改变 不仅晶界被完全腐蚀 大部分晶粒也遭到腐蚀 造成大晶粒被重熔成细小晶粒 甚至有 的晶粒脱离材料表面 由此可以推断 在熔融铈腐蚀初始阶段 陶瓷以晶界腐蚀为 主 并随着腐蚀时间的延长 晶界完全被腐蚀 开始向晶粒腐蚀转 变 大尺寸的晶粒被重熔成细小的晶粒并附着在材料表面会对材料起保 护作用 使材料的腐蚀程度降低 图 陶瓷经 及 熔融铈腐蚀 后的表面形貌 结 论 采用热压烧结工艺制备单相 陶瓷材料 其致密度和晶 粒尺寸都随烧结温度的提高而逐渐增加 烧结温度为 时 陶瓷材料的致密度和晶粒尺寸分别可达到 和 烧结温度为 压力为 保温时间为 下制备 陶瓷材料的力学性能最佳