难熔金属增韧金属硅化物的应用

摘要:难熔金属具有熔点高、弹性模量高、良好的塑性和韧性、高温强度高、热膨胀系数小等特点,是改善金属硅化物室温韧性和高温强度的理想选择之一。重点介绍了Mo、Nb两种难熔金属在增韧金属硅化物材料方面的应用及研究状况。

关键词:难熔金属 材料 金属硅化物

金属硅化物具有熔点高、硬度高、高温蠕变强度高、耐磨耐蚀性能优异等突出优点,是很有发展潜力的室温及高温结构材料的开发研究对象。但是,金属硅化物还存在比较严重的室温脆性和较低的断裂强度,严重影响着其应用前景。因此,要走向工业化应用,必须对其进行低温增韧和高温增强。难熔金属都具有熔点高、优异的高温抗蠕变性能、低的韧脆转变温度(DBTT)等特点,因此在用作高温结构材料方面无疑具有很大的优势。

1、Mo基固溶体增韧相的应用

钼是一种典型的难熔金属,具有熔点高、弹性模量高、良好的塑性和韧性、高温强度高、热膨胀系数小等特点,是改善金属硅化物室温韧性和高温强度的理想选择之一。

多相Mo-Si-B合金因为具有高熔点、理想的抗氧化性和抗蠕变性能、比较好的室温断裂韧性等优点而成为非常具有吸引力的高温结构材料,其中比较好的断裂韧性就是因为材料中存在韧性良好的Mo基固溶体相。Schneibel等研究了分别用电弧熔炼和粉末冶金两种工艺方法制备的Mo―12Si―8.5B(at.% )原位复合材料。Choe等对利用电弧熔炼工艺制备的Mo―12Si―8.5B原位复合材料的裂纹扩展行为进行了比较系统的研究,结果发现在800～1200℃范围内,材料的主要韧化机制为本征韧化,即通过影响裂纹产生的韧化,在这一温度范围内,―Mo相的韧性相对有限,增韧的效果也相对较弱。而当温度到达1300℃以后,材料的主要增韧机制为非本征韧化,即通过影响裂纹扩展产生的韧化,―Mo增韧相的塑性变形、裂纹桥联、裂纹偏转以及界面脱粘为主要的增韧机理。研究表明,该材料在1400℃以上表现出了非常好的拉伸延性,并且拉伸延性随温度的下降和应变速率的增加而迅速下降,在1400℃和10-4/s的应变速率下,拉伸延伸率为150%,在1350℃和10―4/s的应变速率下降为25%,而在1400℃和10―3/s的应变速率下仅为20%。该材料在1450℃和10-4/s的应变速率下的断裂模式为沿晶断裂,说明拉伸延性主要来自于晶界滑移,而不是晶粒变形。位错运动主要发生在―Mo相中,少量发生在Mo3Si相中,而在Mo5SiB2相中几乎没有。该材料在1400℃时的高温强度为500MPa,这主要是因为材料具有―Mo网状结构,在晶界滑移过程中,延性的―Mo晶粒吸收了滑移应变,减少了在三角晶界形成空腔的趋势,从而延迟了断裂过程的发生。

2、难熔金属Nb的特性及在金属硅化物中的应用

难熔金属Nb具有比较好的韧性,并且其熔点(2472℃)和热膨胀系数(7.3×10-6K-1)都与Nb5Si3比较相近,因此近年来由Nb增韧Nb5Si3金属硅化物双相复合材料得到了广泛的研究,文献报道了由脆性Nb5Si3相和韧性Nb粒子组成的复合材料表现出了良好的力学性能平衡。单相Nb5Si3的断裂韧性(

尽管Nb对金属硅化物具有一定的增韧作用,但是具有不同组织形貌特征的Nb增韧相所能达到的增韧效果却差别很大。Soboyejo等人以平均直径为200 m的Nb粉末、人工拧结的直径为250 m和750 m的Nb纤维、厚度为200 m的Nb箔片以及平均直径约44 m的MoSi2粉末为原料,利用热等静压(HIP)工艺制备出分别由Nb颗粒、不同直径Nb纤维和片状Nb增韧的MoSi2/Nb复合材料,这几种材料中Nb增韧相的体积分数均为20%,系统研究了几种材料的弯曲强度、断裂韧性和裂纹生长速率。从弯曲强度结果来看,在1100℃以下时,纤维增强复合材料具有最高的高温强度,并且随温度的升高而增加,当温度超过1100℃以后,几种材料的强度都随温度的升高而降低。从断裂韧性数值及断口形貌来看,片状Nb增韧相具有最佳的增韧效果,其断裂韧性数值高达16-20MPa.m1/2,Nb增韧相的断裂模式也只有韧窝断裂,而颗粒、细纤维和粗纤维增韧的MoSi2/Nb复合材料的断裂韧性分别为5.7MPa.m1/2、9.1MPa.m1/2和14.1MPa.m1/2,并且断口中Nb增韧相都发生了不同程度的解理断裂。从增韧机理来看,几种材料也不尽相同,颗粒增韧复合材料主要是连续的裂纹倾斜和缠结而发生的裂纹偏转,而纤维和片状Nb相增韧复合材料主要是裂纹尖端的钝化和裂纹搭桥。从裂纹生长速率来看,在粗纤维增韧复合材料中最快,大约比在细纤维增韧复合材料中快一个数量级,比在片状增韧和颗粒增韧复合材料中快2个数量级。

3、结束语

难熔金属在金属硅化物基复合材料中可以有效地减少裂纹产生、抑制裂纹扩展和防止显微剥落,从而对金属硅化物起到强有力的支撑作用,大大改善材料的韧性。此外,难熔金属具有很高的熔点,保证了金属硅化物基复合材料在高温下使用时能够具有较高的强度。因此,难熔金属增韧金属硅化物是一种制备具有良好强韧性配合的新型室温及高温结构材料的研究方向和热点。

参考文献:

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[2]彭志辉.稀有金属材料加工工艺学[M].长沙:中南大学出版社, 2003