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Mo-Si-B系材料制备及其性能研究

胡娟  
【摘要】: 由于在民用和军事方面迫切需求能提高能量效率的高温结构材料,且这种需求还在不断上升,为此现在有大量的研究集中在新材料的研发上。对含不同平衡三相组成的多相Mo-Si-B合金进行作为高温结构应用的研究,是由于它们的高温稳定性和吸引人的材料性能。为了使所研究的结构钼基合金能够具有一定的可用性,研究者们提出了两种截然不同的多相Mo-Si-B合金系统。基于相:(1)Akinc和合作者提出Mo_3Si、Mo_5SiB_2(T_2)和Mo_5Si_3(T_1);(2)Berczik提出a-Mo、Mo_3Si和Mo_5SiB_2。从抗断裂性方面来说,后面的合金具有更好的优势,因为这类合金中含有相对延展的a-Mo相。由Mo(ss),T_2(Mo_5SiB_2)和Mo_3Si相组成的合金将力学性能和抗氧化性很好韵结合在一块,由于这类合金在高温氧化过程中会形成粘性硼硅酸盐涂层,并具有足够的抗蠕变和高温强度。合金设计是假设连续的Mo基体会改进材料的韧度,而硅化物相的存在除了提供好的高温强度外还会促进形成保护性的氧化层。迄今为止,研究者主要采用电弧熔炼的方法对Mo-Si-B合金材料的合成进行了研究,也有少量采用粉末冶金方法的。但采用粉末冶金方法的人比较少,这主要是因为采用该方法得到的试样内部缺陷比较多,特别是孔隙。因此,在本研究中,探索性地研究了通过粉末烧结的方法合成Mo-8.9Si-7.7B合金,并通过加入Sn制备了较高致密度的合金块体。同时,采用XRD、SEM等对制备材料的显微结构进行了研究,并研究测试了材料的力学性能,电学性能呢,以及中高温氧化性能和化学腐蚀行为。 在1600℃,30MPa压力,高真空下,热压原子比为Mo-8.9Si-7.7B的混合粉末可以得到三相致密的α-Mo-Mo_3Si-Mo_5SiB_2合金块体材料。当烧结温度低于1600℃时,随着烧结温度的提高,Mo_3Si和Mo_5SiB_2相含量都有不同程度的提高。当烧结温度超过1600℃时合金组成会发生改变,Mo_3Si和Mo_5SiB_2相含量显著减小,XRD图谱显示合金中还有大量的MoSi_2。保温时间延长,合金的组成没有显著的变化。 研究了MSB和MSB-Al/Sn固体材料的致密度,部分力学性能和电学性能。热压烧结的加入3%Sn的合金材料致密度最高。MSB材料的弯曲强度,断裂韧性、Vickers硬度和电导率分别为129.6 MPa,2.4 MPa·m~(1/2)、7.04 GPa和34.5μΩ.cm。MSBS材料的弯曲强度,断裂韧性、Vickers硬度和电导率分别为462.7 MPa,6.6MPa·m~(1/2)、11.21 GPa和61.9μΩ.cm。固熔了Sn的试样各项物理性能都优于未加Sn的,主要是由于一方面Sn固溶到了材料中起到固溶强化的作用,另一方面Sn的加入减少了材料中的孔隙也对材料物理性能的改善起到了很大的作用。 通过氧化增重实验(TGA),X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM)对制备材料的中高温氧化行为进行了研究。MSB和MSBS试样在800和1000℃空气中循环氧化30h符合抛物线规律。氧化试样中的制备缺陷孔隙使氧化增重上升。氧化试样表面形成由B-SiO_2组成的连续氧化层,使材料具有一定程度的抗氧化能力。总的来说,氧化过程由Si和B的向内扩散和氧气的向内扩散造成。氧气向内扩散与Mo结合形成MoO_3,MoO_3挥发使氧化层与基体交界处形成大量孔隙。这种缺陷通常会阻碍Si和B的向外扩散,但不会阻止O向内扩散。MSB试样氧化前就存在不可忽略的孔隙,而MSBS试样由于Sn的加入明显减少了试样的孔隙量,因而MSBS试样氧化性明显要比MSB试样的好。MSBS材料在不同浓度的H_2SO_4溶液中的腐蚀率都要比MSB材料的要好。


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