ZrB_2-SiC超高温陶瓷非晶钎焊界面组织与力学性能研究

采用Cu_(39.37)Ti_(32.19)Zr_(19.38)Ni_(9.06)(原子比)非晶态钎料对ZrB_2-SiC超高温陶瓷进行钎焊。通过X射线衍射、扫描电镜、万能试验机对钎料的微观结构以及钎焊接头形貌、析出相和室温力学性能进行系统分析。结果表明:在一定钎焊温度下,随钎焊时间的增加,接头剪切强度逐渐减小,且伴随裂纹的出现。在钎焊温度1183 K,钎焊时间30 min时获得的剪切强度最高,约为160 MPa。润湿性实验表明该非晶钎料在ZrB_2-SiC陶瓷表面的润湿性良好。接头剪切强度与钎料和母材之间的反应层厚度有关,通过计算得出反应层厚度形成的激活能Q和反应层生长速度A_0,建立了反应层生长规律的表达式。

ZrB_2-SiC和C_(sf)/ZrB_2-SiC超高温陶瓷基复合材料烧蚀机理的研究

通过真空热压工艺制备了ZrB_2-SiC材料和C^(sf)(碳短纤维)/ZrB_2-SiC超高温陶瓷基复合材料.采用氧乙炔火焰在4186.8kW/m^2的热流下分别喷吹烧蚀两种材料180s.ZrB_2-SiC材料表面最高温度达到2406℃,烧蚀后质量烧蚀率为-0.14%,线烧蚀率为-1×10^(-3)mm/s,C_(sf)/ZrB_2-SiC材料表面最高温度达到1883℃,烧蚀后质量烧蚀率为-0.19%,线烧蚀率为-4×10^(-4)mm/s.对两种材料烧蚀表面和剖面的分析发现,ZrB_2-SiC材料烧蚀后由表及里依次形成了疏松ZrO_2氧化层、SiC富集层和未反应层的三层结构,其中SiC富集层能够起到抗氧化的作用.C_(sf)/ZrB_2-SiC材料烧蚀后由外到内分别形成了ZrO_2-SiO_2氧化层、SiC耗尽层和未反应层的三层结构,其中最外层以ZrO_2为骨架,SiO_2弥合其中的结构有效地阻挡了烧蚀中氧的侵入.

爆炸压实ZrB_2-SiC超高温陶瓷的密度与组织

为了研究炸药对ZrB2-SiC超高温陶瓷密度与组织的影响,采用爆炸压实工艺制备了SiC纳米颗粒和SiC晶须分别增韧的两类ZrB2基超高温陶瓷复合材料.研究发现:选择低速的硝酸铵或高速的黑索今时,两类ZrB2-SiC爆炸压实坯密度都比较低,而选择混合炸药时致密效果较好;采用225 g黑索今与75 g硝酸铵的混合炸药时,ZrB2-SiCw超高温陶瓷的最高致密度达到了95.25%,ZrB2-SiCnm超高温陶瓷的最高致密度达到了96.12%;球磨混料后,纳米颗粒或晶须都能均匀弥散在微米ZrB2基体中.与ZrB2-SiCw超高温陶瓷爆炸压实坯相比,ZrB2-SiCnm超高温陶瓷显微组织细小,且不出现ZrB2与SiC相的富集,是比较理想的显微结构.

混合炸药爆炸压实制备ZrB_2-SiC_w超高温陶瓷

为了改善ZrB_2-SiC超高温陶瓷材料的韧性,采用黑索今与硝酸铵混合炸药爆炸压实制备了SiC晶须增韧ZrB_2基超高温陶瓷,并研究爆炸压实过程中的能量与变形,爆炸压实坯密度与显微组织。结果表明,采用爆炸压实工艺制备了相对密度约95.25%的ZrB2-SiC_w陶瓷复合材料。随着混合炸药中黑索今质量的增加,爆轰压力单调增加,爆炸坯密度先增加,后减小,有一个最大值;钢管的外径收缩率、等效应变与爆炸坯密度变化一致;钢管变形能几乎不变,爆炸冲击能与粉末压实能同步增加。由于爆炸冲击波的作用,SiC晶须被折断成碎片;其组织为均匀、碎小的SiC晶须镶嵌于较大的ZrB_2颗粒中。

放电等离子烧结制备ZrB_(2)-SiC超高温陶瓷的力学性能及氧化行为

在服役环境中,超高声速飞行器表面与空气剧烈摩擦导致温度极高。超高温陶瓷相较于一般陶瓷而言具有高熔点和良好的抗氧化烧蚀性能,是目前极具前景的热防护材料之一。采用放电等离子两步烧结工艺将ZrB2纳米粉末和SiC粉末在1700℃下制备超高温陶瓷材料ZrB2-20%SiC,通过纳米压痕微观实验、三点弯实验研究其力学性能及其在高温环境下的氧化行为,着重分析1000、1200、1400和1600℃4种不同氧化温度下ZrB2-20%SiC超高温陶瓷的氧化表面、氧化截面和氧化层厚度。结果表明:ZrB2-20%SiC超高温陶瓷的硬度为18 GPa,弹性模量为541 GPa,断裂韧性为5.7 MPa·m1/2;当氧化温度为1600℃时,超高温陶瓷内部的SiC由被动氧化转变为主动氧化,并且随着氧化温度升高,超高温陶瓷氧化层厚度与氧化温度呈正相关。

ZrB_2-20%SiC超高温陶瓷抗热震性能研究

采用放电等离子烧结工艺在1850℃烧结温度、升温速度200℃/min、保温3min、压力50MPa条件下制备了ZrB_2-20%SiC(体积分数,下同)超高温陶瓷材料。通过不同温度下单次和5次重复热震(水淬试验)后测试材料的残余强度来评价ZrB_2-SiC陶瓷材料的抗热震性能,通过SEM分析研究材料的热震损伤机制。研究结果表明,随着热震温度的提高,ZrB_2-SiC材料热震后的残余强度逐渐降低,但1400℃热震后形成的玻璃相,对裂纹有修补、愈合的作用,提高了试样的残余强度。单次热震的损伤机制主要是微裂纹的产生。5次热震后试样的残余强度与相同温度下的单次热震相比要低很多,5次热震的损伤机制是氧化和微裂纹的共同作用。ZrB_2-SiC材料的抗热震试验结果显示了该材料具有优异的抗热震性能。

ZrB_2基超高温陶瓷抗氧化性研究进展

Zr B2基超高温陶瓷具有硬度高、熔点高、导热性能好以及良好的抗热震性能等优点而广泛应用于飞行器、高超声速导弹、火箭的热端结构部件。超高温陶瓷的服役环境对其抗氧化性有较高的要求。文章就Zr B2基超高温陶瓷的氧化机理、测试方法以及抗氧化性能的研究进展等方面进行了综述。

C/C复合材料ZrB_(2)基超高温陶瓷涂层的研究进展

ZrB_(2)基超高温陶瓷因其优异的高温抗氧化和烧蚀等性能,成为C/C复合材料理想的热防护涂层材料。本文从以下几个方面对C/C复合材料表面用ZrB_(2)基超高温陶瓷涂层的研究现状进行了综述:介绍了ZrB_(2)基超高温陶瓷涂层体系的主要制备技术,并对比了其制备的涂层抗氧化性和抗烧蚀性,总结了各制备方法的优点与不足;从单元、双元、三元材料掺杂改性的角度,详述了ZrB_(2)基复合涂层常见的材料体系,总结了其改性思路;介绍了ZrB_(2)基涂层在多层结构设计与开发方面的研究现状。最后简要展望了ZrB_(2)基超高温陶瓷涂层未来的研究方向。

ZrB_2-SiC复相陶瓷的制备及其耐热冲击性能的研究

以Zr-B2O3-Mg为反应体系,利用自蔓延高温合成法(SHS)制备ZrB2粉体。分别在反应前和反应后掺入(体积分数)20%SiC,利用放电等离子烧结技术(SPS)制备ZrB2-SiC超高温陶瓷。采用SEM观察显微组织,利用阿基米德法测定密度,用氧炔焰进行热冲击试验。结果表明:与在自蔓延生成ZrB2后再掺入SiC的粉体相比,在自蔓延体系中直接掺入SiC粉体能够改善SiC的烧结活性及分散均匀程度,从而使相同烧结工艺下制备的ZrB2-SiC复相陶瓷具有较高的致密度和更好的抗热冲击性能。

溶胶凝胶、碳热/硼热还原法制备ZrB_(2)-SiC-LaB_(6)超细复相粉体

以氧氯化锆(ZrOCl_(2)·8H_(2)O)、硼酸(H_(3)BO_(3))、水合氯化镧(LaCl_(3)·7H_(2)O)、正规酸乙酯(TESO)和葡萄糖(C_(6)H_(12)O_(6))为主要原料,以聚乙二醇(PEG)为分散剂,采用溶胶凝胶法和碳热/硼热还原工艺制备ZrB_(2)-SiC-LaB_(6)超细复相粉体。利用X射线衍射、扫描电镜、红外光谱和差示扫描量热分析等对ZrB_(2)-SiC-LaB_(6)粉体进行表征,研究烧结温度、原料配比对复相粉体合成过程的影响。结果表明,当原料中n(Zr)∶n(B)∶n(Si)∶n(La)∶n(C)=1∶3∶0.7∶0.16∶8时,在氩气气氛中1500℃保温2 h,可合成高纯ZrB_(2)-SiC-LaB_(6)超细复相粉体。颗粒平均粒径为300 nm,其中ZrB_(2)相为六方晶系,SiC相和LaB_(6)相为立方晶系,三元微晶平均尺寸为33.2 nm。

ZrB_(2)粉体制备方法浅析

ZrB_(2)有独特的共价-金属键结构,还具有良好的导电性,ZrB_(2)陶瓷具有高强度及耐高温特性,是超高温陶瓷中最具潜力的材料之一。本文针对ZrB2粉体常用制备方法进行了阐述。

超高温多孔陶瓷的制备、性能及应用研究进展

超高温多孔陶瓷既有超高温陶瓷耐高温、抗氧化/烧蚀、无固态相变的优异特性,又有多孔陶瓷体积密度小、导热系数低的优点,有望成为极端环境下高温隔热、高温腐蚀性气体过滤及高温太阳能吸收等应用的候选材料。按成孔原理的不同,超高温多孔陶瓷的制备方法有部分烧结法、模板复制法、牺牲模板法、冷冻浇注法、直接发泡法和溶胶⁃凝胶法。用部分烧结法制得的超高温多孔陶瓷力学性能优异,但气孔率低且孔结构难以控制;模板复制法制得的陶瓷材料气孔率高,但其气孔结构取决于模板的气孔结构,可设计性较差;牺牲模板法制得的陶瓷材料气孔大小和形貌可控,但气孔分布均匀性差;冷冻浇注法具有高效、低成本等优点,制得的陶瓷材料气孔率高,但用有机溶剂为冷冻介质时,对环境有危害;直接发泡法制得的陶瓷材料气孔率高,孔结构缺陷少,但发泡过程难以控制,对工艺要求较高;溶胶⁃凝胶法制备的陶瓷材料气孔率高,导热系数低,但强度低,且制备成本较高。本文介绍了超高温多孔陶瓷材料的制备方法、性能及应用前景,总结了超高温多孔陶瓷制备方法的优缺点,分析了超高温多孔陶瓷材料面临的问题并展望其前景,以期为制备超高温多孔陶瓷材料提供参考。

硼化锆基超高温陶瓷研究进展

航空航天、兵器、能源等高科技领域的发展对轻质、耐高温的超高温陶瓷材料提出了迫切需求。硼化锆基超高温陶瓷是最重要的超高温陶瓷材料之一,综述了硼化锆基超高温陶瓷的研究进展,着重探讨了先驱体转化法制备硼化锆基超高温陶瓷的优势和难点,并对硼化锆基超高温陶瓷的发展进行了展望。

原位反应烧结Zr_(2)Al_(4)C_(5)化合物增韧ZrB_(2)-SiC复相陶瓷的制备工艺及力学性能

ZrB_(2)-SiC复相陶瓷在超高温领域具有重要的应用前景,但韧性低限制了其应用。本工作通过原位反应烧结制备出Zr_(2)Al_(4)C_(5)化合物增韧ZrB_(2)-SiC复相陶瓷,研究了Zr/Al物质的量比和烧结工艺对复相陶瓷的烧结性能、显微结构和力学性能的影响。结果表明:随着Zr/Al物质的量比的减小,原位反应合成的Zr_(2)Al_(4)C_(5)化合物逐渐增多;随着烧结温度的升高,Zr_(2)Al_(4)C_(5)化合物逐渐反应合成;随着烧结压力的增加和保温时间的延长,复相陶瓷主要相成分为ZrB_(2)、SiC和Zr_(2)Al_(4)C_(5),开气孔率呈现下降的趋势,断裂韧性呈现先增加后降低的趋势。采用Zr/Al物质的量比2∶6、烧结温度1800℃、烧结压力20 MPa、保温时间3 min,通过SPS原位反应烧结制备的Zr_(2)Al_(4)C_(5)化合物增韧ZrB_(2)-SiC复相陶瓷,其断裂韧性可达(5.26±0.37)MPa·m 1/2;韧化机理主要包括裂纹偏折、裂纹桥接、裂纹分叉以及层状Zr_(2)Al_(4)C_(5)晶粒拔出等能量耗散机制。

ZrB_2-SiC的制备方法和性能研究

由于在极端环境中的优异物理化学性能,ZrB2基超高温陶瓷材料成为未来空天领域最具前途的候选材料之一,尤其是ZrB2-SiC材料近几年更成为研究热点。本文对ZrB2-SiC材料的制备、烧结致密化和力学性能等研究做了综合评述,重点对制备方法与使用性能间的关系进行了相关介绍。

ZrB_2-SiC挥发相图的热力学计算研究

采用热力学平衡方法,以1227℃为例,计算了硼化锆(ZrB_2)和碳化硅(SiC)的挥发相图,并由此例构建了硼化锆-碳化硅复合材料(ZrB_2-SiC)的挥发相图。在1.01×105Pa条件下,计算得到ZrB_2和SiC发生氧化的平衡分压logPO_2分别为-15.01Pa和-17.04Pa。结果表明,氧气分压会对ZrB_2、SiC和ZrB_2-SiC的氧化行为产生重要影响。随着氧分压升高,ZrB_2主要气相氧化产物的分压增加,SiC主要气相氧化产物的分压先增加后减小。对ZrB_2-SiC而言,随着氧分压的增大,在1227℃时体系中的主要气相产物转变序列为SiO(g)→B_2O_3(g)→BO_2(g)。

ZrB_2基陶瓷/Ti-6Al-4V合金钎焊接头形成机理与反应层生长规律

采用TiCuZrNi非晶活性钎料对ZrB_2-SiC超高温陶瓷和Ti-6Al-4V合金在880℃钎焊温度下进行钎焊,通过扫描电子显微镜、能谱分析仪和X射线衍射仪对焊接接头界面的反应产物进行系统分析,结合加热、保温和冷却3个阶段深入分析接头形成的机制。结果表明:界面反应产物为β-Ti、(Ti,Zr)_2(Cu,Ni)、TiCu、Ti_2Cu、TiC、Ti5Si3、Ti B和Ti B2。基于扩散理论,建立陶瓷侧反应层生长规律的表达式。

AgCu/泡沫Cu/AgCu复合钎料对ZrB_(2)-SiC/Inconel 600合金钎焊接头组织与性能的影响

陶瓷与金属由于其差异较大的热膨胀系数易导致接头残余应力较大,研究者们采用添加中间层方式,成功降低了接头残余应力。本工作采用AgCu/泡沫Cu/AgCu复合钎料对ZrB_(2)-SiC陶瓷与Inconel 600镍基合金进行真空钎焊,系统研究了泡沫Cu厚度对钎焊接头组织和性能的影响。结果表明:所获得的钎焊接头无明显缺陷,焊缝均由Ag_(ss),Cu_(ss)和(Cr,Fe)_(7)C_(3)三种相组成。剪切性能测试表明:添加泡沫Cu中间层获得的接头性能高于未添加泡沫Cu得到的接头,且随着泡沫Cu厚度的增加,焊缝中泡沫Cu骨架结构增多,钎焊接头强度呈先增大后减小的变化趋势。当泡沫Cu厚度为1 mm时,接头获得最优的剪切强度,达到72.5 MPa。通过ABAQUS有限元分析软件对接头残余应力进行分析,添加泡沫Cu钎焊时,接头金属侧残余应力降低了50.6 MPa,ZrB_(2)-SiC侧降低了110.3 MPa,进一步证明添加泡沫Cu能够有效缓解钎焊接头残余应力。

ZrB2及其复合陶瓷的高温抗氧化性能

综述了ZrB_2及其复合陶瓷的高温氧化行为,认为ZrB_2陶瓷是一种优异的高温结构材料,其氧化失效是由于氧化产物B_2O_3保护层挥发失效而导致的;二元陶瓷ZrB_2-SiC由于SiC的加入,高温抗氧化性能大大提高,并对其在不同温度下的氧化物结构进行了阐述。在此基础上提出了进一步提高ZrB_2-SiC陶瓷抗氧化性能和服役温度的方法,并以添加TaC和LaB_6形成三元复相陶瓷为例进行了说明。

Y_2O_3掺杂ZrB_2-SiC基超高温陶瓷的抗烧蚀性能

为改善ZrB2-SiC基超高温陶瓷的抗氧化和抗烧蚀性能,在制备过程中加入Y2O3。用氧乙炔火焰法来考察ZrB2-SiC-Y2O3的抗氧化和抗烧蚀性能。采用SEM和XRD分析烧蚀前后形貌及物相。材料在加热和冷却过程中没有出现开裂现象,说明其具有良好的抗热冲击性能。微观组织分析表明,氧化层主要由4层组成,且氧化层与基体层没有明显的剥离。结果表明:Y2O3的添加可以将氧化产物中的高温稳定相稳定到室温,减少由于相变发生的体积膨胀,改善氧化层与基体层的粘结性能。