鉿基合金低溫熔滲碳材料機(jī)理研究.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)超高溫陶瓷基復(fù)合材料(Cf/UHTCs)綜合了C/C復(fù)合材料優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和超高溫陶瓷抗氧化燒蝕性能突出的優(yōu)點(diǎn)，有望成為極端條件下先進(jìn)飛行器的耐超高溫結(jié)構(gòu)材料。反應(yīng)熔滲法具有工藝簡(jiǎn)單、制備周期短、可近凈成形、成本低、無(wú)污染等特點(diǎn)，成為制備碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的優(yōu)選工藝方法。碳化鉿熔點(diǎn)高，而且其氧化物具有熔點(diǎn)高、高溫下蒸發(fā)速率低的特點(diǎn)，使得碳化鉿陶瓷抗高溫氧化燒蝕性能突出。本文采用反應(yīng)熔滲法制備了Cf/（HfC+MC）復(fù)

2、合材料。用掃描電鏡、XRD和能譜分析等方法對(duì)不同成分合金的熔滲體的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。探討了高鉿合金熔滲碳/碳復(fù)合材料時(shí)瞬間液相產(chǎn)生的機(jī)理，分析了合金元素在熔滲過(guò)程中對(duì)合金液相生成、碳化反應(yīng)、滲入深度等方面的影響，討論了影響熔滲能力、熔滲組織的因素，分析了Cf/（HfC+MC）復(fù)合材料的抗氧化燒蝕性能與力學(xué)性能特點(diǎn)。
　　在熔滲過(guò)程中，bcc-Hf相對(duì)瞬間液相產(chǎn)生的機(jī)理起主導(dǎo)作用，與Hf的硅化物相比，bcc-Hf相更容易與C發(fā)生反

3、應(yīng)，放熱熱量較大，使得合金局部溫度升高近480K，從而導(dǎo)致液相的生成；Zr的硅化物在熔滲溫度下都可能與C反應(yīng)生成ZrC，當(dāng)Zr的含量高于60at％時(shí)，碳化反應(yīng)產(chǎn)物中會(huì)生成少量的Si相，這有利于合金液相的生成但其對(duì)合金熔化瞬間生成液相的貢獻(xiàn)不大。Ta元素對(duì)Hf基合金的碳化反應(yīng)有促進(jìn)作用，Ta會(huì)擴(kuò)大bcc-Hf相存在的區(qū)域，使得在高溫下合金中bcc-Hf相含量增高，從而加強(qiáng)了液相產(chǎn)生的作用。
　　通過(guò)熱力學(xué)理論模型計(jì)算了Ta和Si對(duì)鉿

4、基二元合金的表面張力的影響。隨Ta含量的增加，Hf-Ta二元合金的表面張力增大；Si含量增加， Hf-Si二元合金表面張力降低。
　　在石墨材料上打孔模擬C/C復(fù)合材料孔隙，研究了Hf-Si-Ta三元合金熔滲時(shí)熔滲組織形成的過(guò)程及影響熔滲能力的因素。
　　Hf-Si-Ta三元合金熔滲時(shí)熔滲組織形成的過(guò)程為：熔體進(jìn)入C/C預(yù)制體孔隙→先共晶相bcc-Hf（Ta）相在孔壁上析出→孔隙中心部位熔體凝固析出共晶相→預(yù)制體中碳與先共晶

5、相bcc-Hf（Ta）相碳化反應(yīng)形成HfC、TaC→預(yù)制體中C擴(kuò)散至心部與共晶體中bcc-Hf（Ta）相碳化形成HfC、TaC。
　　對(duì)于同一種熔滲合金，在孔徑小于4mm情況下，孔徑大小對(duì)熔滲深度影響不大。Ta元素對(duì)熔滲能力有影響，當(dāng)Ta含量較低時(shí)，在熔體凝固過(guò)程中共晶相量較少，會(huì)產(chǎn)生離異共晶，依附生長(zhǎng)于先共晶上形成了粗大bcc-Hf（Ta）相，隨后碳化形成大塊碳化鉿堵塞了熔滲通道，降低了熔滲深度；當(dāng)Ta含量較高時(shí)，凝固時(shí)共晶相量

6、較高，則出現(xiàn)經(jīng)典的共晶組織，熔滲組織中各相分布均勻，無(wú)粗大碳化鉿，且隨Ta含量的增加，Hf-Ta二元合金的表面張力增大，使熔滲深度增加，當(dāng)Ta含量為10at%時(shí)，合金熔體的熔滲深度會(huì)大幅增加，達(dá)到40mm。
　　用所設(shè)計(jì)的四種鉿基合金反應(yīng)熔滲制備了密度2.1~2.4g/cm3、氣孔率為6%~8%的Cf/(HfC+ZrC+ TaC)復(fù)合材料。用氧乙炔焰燒蝕儀進(jìn)行了高溫氧化燒蝕考核，用三點(diǎn)法測(cè)試了彎曲強(qiáng)度。結(jié)果表明，隨著Ta含量增加，