碳、硅摻雜對(duì)Ti2AlN三元化合物陶瓷抗高溫氧化性能的影響.pdf

1、Ti2AlN是Mn+1AXn（n=1，2，3）族中典型的一種化合物，該材料兼具金屬和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)。在常溫下，像金屬一樣有很好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，有較低的硬度，較高的彈性模量和剪切模量，并在較高溫度下具有塑性；同時(shí)它又具有陶瓷的性能，有較高的屈服強(qiáng)度，高熔點(diǎn)，高熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化性能。本研究旨在以Ti-Al-N系元素粉體為反應(yīng)原料，探索一條適合提高Ti2AlN陶瓷綜合性能的新方法。近年來(lái)，通過(guò)在Ti-Al-N材料中添加第四組元X(X為Zr

2、、Si、Ta、Nb、V等)，可形成一些特殊的納米相，從而顯著提高材料的綜合性能。這些合金元素能在一定程度上改善Ti-Al-N材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能，但是目前研究較多的是Ti2A1N薄膜和Ti2A1N/TiN復(fù)合材料，而對(duì)于元素?fù)诫sTi2AlN塊體材料的研究卻很少。本文研究了以Ti、TiN、Al為原料，在氬氣保護(hù)氣氛下無(wú)壓燒結(jié)1400℃、熱壓燒結(jié)1400℃和SPS燒結(jié)1200℃條件下制備Ti2AlN陶瓷材料，主要研究C、Si摻雜對(duì)Ti

3、2AlN三元化合物陶瓷組織高溫性能的影響。研究結(jié)果表明：
　　放電等離子燒結(jié)溫度為1200℃是制備Ti2AlN的最佳工藝，純度能高達(dá)99.2％，并且制備的樣品組織成片層結(jié)構(gòu)，很難發(fā)現(xiàn)氣孔，并測(cè)得密度34.24g/cm和硬度4.1GPa。其中在未摻雜試樣中，SPS樣品的密度比無(wú)壓的樣品密度增加52%。
　　摻雜C、Si元素時(shí)，以SPS燒結(jié)樣品為例，摻雜后密度大小依次為：摻雜Si0.2＞摻雜C0.1Si0.1＞摻雜C0.2＞摻雜

4、Si0.1＞摻雜C0.1＞未摻雜，其中摻雜Si0.2的樣品密度比未摻雜的試樣的密度增加了4.3%。摻雜后硬度大小依次為：摻雜Si0.2＞摻雜C0.1Si0.1＞摻雜C0.2＞摻雜Si0.1＞摻雜C0.1＞未摻雜，其中摻雜Si0.2的試樣硬度最高，達(dá)到5.8GPa，比未摻雜試樣的硬度增加40%。
　　摻雜C元素對(duì)Ti2AlN材料的抗高溫氧化性能的影響相對(duì)較小，而摻雜Si元素大幅度增加Ti2AlN材料的抗高溫氧化性能。其中摻雜Si0.

5、2試樣在1000℃下氧化時(shí)，單位氧化增重僅為14.89×10-3kg.m-2，且該溫度下的氧化拋物線(xiàn)速率常數(shù)僅為8.13×10-7kg2.m-4.s-1，比未摻雜試樣低2個(gè)數(shù)量級(jí)。Ti2AlN三元化合物由于氧化反應(yīng)生成Al2O3，致使材料自身屬于優(yōu)良的抗高溫氧化材料。在此基礎(chǔ)上摻雜Si元素，由于氧化層表面除了有一層Al2O3氧化膜的存在，還有部分表層被具有抗氧化性能較好的SiO2覆蓋，顯著的提高了Ti2AlN樣品的抗高溫氧化能力。