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《华南理工大学》 2011年
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SiC/M(W、Mo、Ti、Fe)扩散偶的界面反应研究

胡昌旭  
【摘要】:碳化硅(SiC)是一种先进的陶瓷材料,具有良好的综合性能,已广泛用作高温结构材料。然而由于陶瓷自身固有的本征脆性和不易加工性,限制了其更广泛的应用。陶瓷通常与金属复合成复合材料,从而获得更广泛的应用。本文系统地收集、计算并评估Si-C-M三元系中稳定化合物的热力学数据。利用处于稳定状态时的相平衡条件,结合Si-C-M三元等温截面相图,计算各化合物的吉布斯自由能和Si-C-M三元系中各组元的稳定性化学势。使用块体扩散偶技术,研究SiC-M扩散偶在800、1000℃时界面新生相的热力学关系及生成次序,同时分析Si-C-M三元系统中各组元的扩散路径以及界面新生相的生长动力学特征。 利用放电等离子体烧结技术,在不加任何烧结助剂的情况下,分别使用球磨后的SiC粉末和未经球磨的微米级SiC粉末,制备出高纯度的SiC块体材料。烧结工艺为以100 K/min的升温速率由室温加热至1800℃,然后在1800℃保温10 min,随后关闭电源冷却。烧结过程中,所施加压力为50 MPa。 根据已知的热力学数据,利用吉布斯·亥姆赫兹(Gibbs-Helmholtz)方程对化合物在800、900、1000、1100℃的吉布斯自由能进行估算,并分析化合物之间的热力学关系。利用多元系物质处于稳定平衡状态时的条件,结合Si-C-M三元等温截面,计算三相平衡区中各组元的化学势,并对SiC/M界面可能的反应途径进行了分析。结合吉布斯相律,采用Beyers等的简化相图方法对Si-C-W以及Si-C-Fe三元系的等温截面相图进行计算,得到Si-C-W以及Si-C-Fe在800-1100℃的等温截面相图。 SiC/Ti扩散偶在800、1000℃保温10-40天后,界面处均实现冶金连接,两种温度下的界面反应情况一致。SiC/Ti扩散偶在800、1000℃的扩散路径为SiC/Ti_3SiC_2/Ti_5Si_3/Ti_5Si_3+TiC/Ti_3Si/Ti。SiC/Ti界面扩散层在1000℃为抛物线型的扩散控制生长方式。 Mo/SiC扩散偶在1000℃的扩散路径为Mo/Mo_2C/Mo_5Si_3/SiC。在800℃,SiC/Mo扩散偶经长时间保温后,在界面处未发现可能的化学反应,SiC/Mo扩散偶界面具有一定的高温热稳定性。 在800℃分别保温20、30天后,使用复合材料SiC制备的SiC/Fe扩散偶界面由亮层(Fe3Si层)和暗层(C沉积物层)交替排列。界面反应区由调整的C沉积区(M-CPZ),均匀的C沉积区(R-CPZ)和无C沉积区(C-PFZ,即Fe_3Si亮层)构成。 在800℃分别保温1-10天后,使用纯SiC制备的SiC/Fe扩散偶界面处结合良好,实现冶金连接。SiC/Fe扩散偶在800℃保温1天后,其界面处于亚平衡状态,SiC与Fe未能充分反应。在800℃保温3、5天后,界面处局部地方均出现新生相FeSi。当保温10天后,在Fe_3Si和SiC界面出现FeSi2。Fe/SiC扩散偶的扩散路径为Fe/Fe_3Si/ FeSi/FeSi2/SiC。在800℃下,SiC/Fe界面反应为界面控制生长方式。 W/SiC扩散偶在800℃热处理后,W/SiC界面处生成W5Si3和WC两种新生相,即从W到SiC侧,新生相依次为W5Si3、WC。W/SiC扩散偶在800℃的扩散路径为W/W5Si3/WC/SiC。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O611.3

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