SiC陶瓷/过渡金属（Ta、Cr、Nb、Zr）界面的固相反应研究

作     者：牛文彬 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭伟明;谢庆丰

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：SiC陶瓷 过渡金属 反应热力学 显微结构 固相反应 

摘      要：碳化硅(Si C)陶瓷具有高熔点、高强度、高硬度、高耐磨性、耐腐蚀以及低中子吸收截面等优良的性能,常被应用于发动机零部件、核材料和防弹装甲等领域。Si C陶瓷的脆性较大,难以机械加工,通过与金属复合或连接,可以实现复杂Si C陶瓷零部件的制备。然而,在高温、高压的制备过程或高温、高压的服役环境中,Si C与金属之间可能发生化学反应,影响材料的性能。本文主要结合显微结构分析、反应热力学分析和文献报道等,研究了在钎焊炉和放电等离子烧炉(SPS)中Si C陶瓷与过渡金属Me(Me=Ta、Cr、Nb、Zr)在高温或高压下的界面固相反应和扩散机理,其中钎焊炉提供了高真空(10Pa)和高温(1400～1800℃)的环境,SPS炉则提供了机械加压(30MPa)、高温(1200～1400℃)、富碳的热处理环境。主要研究内容和结论如下:研究了Si C/Me扩散偶在高温(1400～1800℃)和高真空(10Pa)的钎焊炉环境下的界面显微结构、元素分布、固相扩散厚度等。结果表明,三种Si C/Me(Me=Ta、Nb、Zr)扩散偶仅在金属侧出现反应层,且Si C与Me未发生连接,但是Si C/Cr扩散偶则出现互相扩散和连接。温度从1400℃增加到1800℃时,Si C/Ta和Si C/Nb扩散偶中金属侧的反应层厚度分别从5.6μm和8.1μm逐渐增加到22.2μm和41.0μm。然而,Si C/Zr和Si C/Cr扩散偶中金属侧的反应层厚度随温度升高而快速增加,当温度从1400℃增加到1600℃时,Zr侧反应层厚度从6.4μm增加到640.7μm,并且出现分层现象,而在1600℃时Si C/Cr扩散偶中Si和C元素扩散穿透整个Cr层。研究了Si C/Me扩散偶在1200～1400℃、30MPa压力、富碳的SPS炉环境下的界面显微结构、元素分布、固相扩散厚度等。结果表明,四种Si C/Me(Me=Ta、Cr、Nb、Zr)扩散偶均在金属侧出现反应层,其中Si C/Ta、Si C/Cr扩散偶发生了连接。当温度从1200℃升到1300℃时,Si C/Ta和Si C/Nb扩散偶的金属侧反应层厚度较薄,即使增加到1400℃,Nb侧的反应层厚度仍维持在7.0μm左右。然而随着温度的升高,Si C/Cr和Si C/Zr扩散偶中金属侧的反应层厚度则显著增加,尤其Si C/Cr。当温度从1300℃增加到1400℃时,Si C/Zr扩散偶中Zr侧反应层厚度从6.4μm增加到70.0μm,而当温度为1300℃时Si和C元素已扩散穿透整个金属Cr层,并且由于温度、压力的共同作用促使金属Cr与石墨压头发生反应。结合显微结构与元素分析、反应热力学和文献报道等,对Si C/Me扩散偶的反应产物进行了分析,并比较了钎焊炉和SPS炉环境下Si C/Me扩散偶的界面固相反应的差异性。结果表明,Si C/Ta扩散偶中Ta侧反应产物为Ta C和Ta Si的混合物;Si C/Cr扩散偶最开始在Cr侧出现CrSi和CrC,随反应的进行最终生成CrSiC/CrC/CrSiC的扩散路径;Si C/Nb扩散偶中Si元素和C元素在Nb侧的扩散途径分别为Nb Si/NbSiC和Nb C/NbC;Si C/Zr扩散偶中Si元素和C元素在Zr侧扩散路径分别为:Zr Si/Zr Si/ZrSiC/ZrSi和Zr C/ZrSiC/Zr C。在钎焊炉环境下,随着温度(1400～1800℃)的增加,Si C/Ta和Si C/Nb扩散偶的反应层厚度缓慢增加,表明其具有较好的高温稳定性,而Si C/Cr和Si C/Zr扩散偶的反应层厚度则快速增加,表明其具有较高的反应活性。在SPS炉环境中,由于自身较好的高温稳定性,在较低温度(1200～1400℃)下机械载荷并没有导致Si C/Ta和Si C/Nb扩散偶的反应层厚度显著增加;然而,在自身较高的反应活性前提下,即使在较低温度(1200～1400℃)下机械载荷仍然可以显著的促进Si C/Cr和Si C/Zr扩散偶中金属侧的反应层厚度的快速增加。