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硼化物基超高温陶瓷的微结构调控及性能研究

丁浩杰  
【摘要】:Zr_B2具有高熔点、高硬度、优良的抗热震、抗氧化性能以及耐烧蚀等特性,在高超音速领域是一种重要的候选材料。为了满足复杂环境中的性能需求,进一步改善超高温陶瓷的各项性能仍是当前研究的主要问题。目前,关于Zr_B2高温性能及结构设计的研究相对滞后,这将阻碍Zr_B2在该领域的应用。本文以自制Zr_B2粉体为原料,金属钨粉为添加剂,采用热压法在1500oC~2100oC下烧结了Zr_B2-W陶瓷,并研究了致密化过程、微结构和高温力学性能。研究表面:在1500oC下,硼的扩散作用促使W转化为W_2B。在1700oC下,W_2B转化为WB。在2000oC下烧结的Zr_B2-5vol%W陶瓷具有核壳结构的晶粒,晶粒的核心为Zr_B2基体,壳层为(Zr,W)B2-x固溶体。固溶体抑制了Zr_B2陶瓷的晶粒长大和致密化。当烧结温度提高至2100oC,壳层厚度增加,部分晶粒的核壳结构消失。W-Zr-B液相的形成促进Zr_B2陶瓷的致密化。高温下,WB吸收来自Zr_B2晶粒表面的氧原子,净化晶界并增强晶界强度。W含量为3vol%或5vol%的Zr_B2陶瓷在25oC~1000oC下具有最高的弯曲强度。在1600oC的高温环境中,含有硼空位的(Zr,W)B2-x固溶体在拉应力的作用下转化为(Zr,W)B2和(Zr,W)B,增加了表面缺陷,降低了弯曲强度。采用自制Zr_B2粉体为原料,WC为添加剂,获得了固含量为20vol%,PEI含量为1wt%且分散性良好的浆料。在12T静态磁场下注浆成型制得生坯,采用热压法在2100oC下烧结了Zr_B2-WC陶瓷,并研究其取向、微结构和高温力学性能。定向排列和WC对织构化发展具有积极作用,致密陶瓷的洛伦兹取向因子为0.95。定向排列有利于消除大尺寸孔隙,一定程度上提高了Zr_B2的致密度。织构化有利于消除残余热应力,提高了Zr_B2陶瓷在低温下(≤1000oC)的弯曲强度。强磁场注浆结合热压法烧结陶瓷的晶粒形成交织互锁的结构,提高了1600oC下的弯曲强度。


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