MeC(Me=Zr,Ti)基超高温复相陶瓷的组织结构调控与力学性能提升

作     者：梁岚青 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏博鑫

授予年度：2023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：烧结制备 陶瓷复合材料 碳化锆 碳化钛 微观组织 力学性能 

摘      要：第四副族MeC(Me=Zr,Ti)超高温陶瓷由于其高硬度、高模量、良好的耐腐蚀性等优异的综合性能而被广泛关注,在超高温环境的应用方面具有相当大的潜力,是航天和核能领域亟需的优质材料。然而,较差的抗热震性和断裂韧性,限制了其在极端条件下的应用。另外,由于其强共价键和低自扩散系数,使得致密化温度过高,难以通过常规烧结工艺获得完全致密的陶瓷。而提升烧结温度会导致晶粒过度生长,从而导致力学性能较差。本文分别根据ZrC和TiC陶瓷的特点,通过引入合适的添加剂,采用放电等离子烧结或反应热压烧结制备复合材料,降低MeC基陶瓷的致密化温度;开展了添加剂对ZrC基和TiC基陶瓷微观组织和力学性能影响的研究,通过调控陶瓷的微观组织结构,使其力学性能得到了显著的提升。针对于ZrC陶瓷,引入含量为5 mol%-50 mol%的TiCN,采用放电等离子烧结法,在1900-2000℃下制备致密的(Zr,Ti)(C,N)固溶体陶瓷。为了进一步降低烧结温度,还添加了10 mol%ZrH作为烧结助剂。开展了TiCN的含量和ZrH的加入对ZrC基陶瓷微观组织和力学性能影响的研究。TiCN和ZrH的加入形成固溶体陶瓷和空位有效地促进了致密化过程,降低了临界分切应力并促进碳和金属原子扩散。当TiCN含量为5 mol%和20 mol%时,陶瓷中形成单一的富Zr(Zr,Ti)(C,N)相固溶体。当TiCN含量增加到50 mol%时,随着富Ti相固溶体的形成,(Zr,Ti)(C,N)固溶体陶瓷表现出良好的微观组织,晶粒尺寸为0.3-0.4μm。(Zr,Ti)(C,N)固溶体陶瓷的维氏硬度和抗弯强度高于纯ZrC陶瓷,主要归因于固溶体强化、较小的晶粒尺寸和较低的孔隙率;断裂韧性的提高归因于富Zr和富Ti固溶体形成引起的裂纹偏转和裂纹桥接。ZrC-45 mol%TiCN-10 mol%ZrH具有优异的综合性能,其维氏硬度为22.5 GPa、抗弯强度为503 MPa、断裂韧性为4.3 MPa·m。针对TiC陶瓷,通过引入Si和ZrC,采用反应热压烧结法,在1400-1600℃下制备了致密(Ti,Zr)C-Zr Si-TiSi C-Si C陶瓷。开展了ZrC含量及烧结温度对TiC基陶瓷微结构和力学性能影响的研究。当ZrC含量为10 mol%时,出现了TiSi C。当ZrC含量增加到30 mol%时,富Zr固溶体出现,TiSi C相消失,Zr Si相含量显著上升。烧结温度的升高会引起TiSi C相的分解,同时使Zr Si含量降低。烧结过程中液相以及碳空位和固溶体的形成有助于致密化过程。由于Si C的钉扎效应和固溶体的形成两者耦合促使晶粒细化,温度到达1600℃时,富Zr相可以抑制晶粒生长。固溶体与Si C含量的增加将促进陶瓷维氏硬度的提升,主要增韧机制是TiSi C的形成导致的裂纹偏转和桥接。晶粒细化、良好的断裂韧性和固溶体的形成协同作用提升了抗弯强度。TiC-36 mol%Si-10 mol%ZrC陶瓷表现出良好的综合力学性能,维氏硬度为21.8 GPa,抗弯强度为580 MPa,断裂韧性为6.7 MPa·m。