低溫熔滲反應(yīng)制備W-ZrC金屬陶瓷的高溫演變及激光燒蝕特性研究.pdf

1、耐超高溫W/ZrC金屬陶瓷由于綜合了難熔金屬鎢（W）和超高溫陶瓷碳化鋯（ZrC）的優(yōu)異特性，在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯和高溫拉伸夾具等超高溫應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在 W/ZrC金屬陶瓷的眾多制備工藝中，低溫熔滲反應(yīng)法（ RMI）由于具有制備溫度低、周期短、成本低及可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的近凈成型等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。然而RM I法W/ZrC金屬陶瓷在高溫，甚至超高溫環(huán)境中服役時(shí)，由于自身的低溫制備，其組成、結(jié)構(gòu)及性能可能會(huì)發(fā)生顯著的變化，進(jìn)而影響材料的

2、服役特性，目前相關(guān)研究尚屬空白，因此本文針對(duì)低溫熔滲反應(yīng)制備的W/ZrC金屬陶瓷，開(kāi)展了材料組成、結(jié)構(gòu)和性能的高溫演變研究，同時(shí)利用激光燒蝕研究了材料在動(dòng)態(tài)環(huán)境中高溫特性。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　采用低溫熔滲反應(yīng)工藝制備了 W/ZrC金屬陶瓷。通過(guò) XRD分析了所得材料的物相組成，發(fā)現(xiàn)其主要為W和ZrC，同時(shí)還含有WC、Zr-Cu合金及反應(yīng)中間產(chǎn)物W2C、W2Zr；通過(guò)BSE、EDS及ImageJ軟件分析了所得材料的組織結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)

3、其主要包括彌散的W顆粒相（44.7vo l％）、連續(xù)的ZrC基體相（44.4vo l%）、殘留Zr-Cu合金相（10.6vol%）及少量孔隙（0.3vol%），而W2C和W2Zr等反應(yīng)中間相則未能分辨出來(lái)。
　　系統(tǒng)研究了低溫熔滲反應(yīng)制備W/ZrC金屬陶瓷的組成結(jié)構(gòu)高溫演變規(guī)律。通過(guò)檢測(cè)熱處理前后材料的質(zhì)量、開(kāi)孔率及密度，發(fā)現(xiàn)隨著熱處理溫度的升高，材料的質(zhì)量損失率和開(kāi)孔率不斷增大，而密度不斷減小，當(dāng)熱處理溫度達(dá)到2600℃時(shí)，材料

4、的質(zhì)量損失率和開(kāi)孔率分別達(dá)到5.51wt%和9.29vo l%，而密度由原始10.62g/c m3降為9.89 g/c m3；通過(guò)表征熱處理前后材料的物相組成，發(fā)現(xiàn)隨著熱處理溫度的升高，材料的物相種類逐漸減少，當(dāng)熱處理溫度為1800℃時(shí)殘留 WC、W2Zr相消失，2200℃時(shí)殘留W2C相、Zr-Cu合金相消失；通過(guò)分析熱處理前后材料中的組織結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)熱處理后的材料主要由彌散的W相、連續(xù)的ZrC相及孔隙構(gòu)成，且W相中W原子向ZrC相擴(kuò)散，

5、形成(W, Zr)C固溶體，使ZrC點(diǎn)陣常數(shù)減小，而W相則由顆粒狀變?yōu)闊o(wú)規(guī)則長(zhǎng)條狀，其體積和含量都減小。
　　全面研究了低溫熔滲反應(yīng)制備W/ZrC金屬陶瓷力學(xué)性能的高溫演變規(guī)律。研究得出：隨著熱處理溫度的升高，材料的彎曲強(qiáng)度先增大后減小，在1800℃熱處理后出現(xiàn)最大值428.24±37.19MPa，比原始彎曲強(qiáng)度增加近一倍；材料的抗壓強(qiáng)度和斷裂韌性則隨熱處理溫度的升高而不斷減小，當(dāng)熱處理溫度為2400℃時(shí)，材料抗壓強(qiáng)度和斷裂韌性分

6、別僅為原始性能的1/3和1/2；材料硬度隨熱處理溫度升高不斷增大，在2600℃熱處理后達(dá)到24.58±2.53GPa，比原始值提高了近一倍。1800℃熱處理時(shí)彎曲強(qiáng)度出現(xiàn)極值與 ZrC晶粒發(fā)生燒結(jié)而合金相未發(fā)生明顯流失有關(guān)；材料抗壓強(qiáng)度及斷裂韌性的持續(xù)降低與合金相流失、材料孔隙率增加及相界面結(jié)合強(qiáng)度減弱有關(guān)；材料硬度的增大與W原子向ZrC相擴(kuò)散引起固溶強(qiáng)化有關(guān)。
　　深入研究了低溫熔滲反應(yīng)制備W/ZrC金屬陶瓷的激光燒蝕行為。首先

7、研究了W/ZrC在低能量密度激光輻照下的燒蝕行為，經(jīng)能量密度為11.3W/mm2的激光燒蝕60s后，燒蝕表面溫度達(dá)2631℃但材料仍近零燒蝕。其次利用高能量密度激光輻照，研究了材料在不同能量密度、不同輻照時(shí)間下的燒蝕行為，分析了材料的激光燒蝕機(jī)理。隨著激光能量密度的增加和燒蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，材料的燒蝕程度增大，但由于燒蝕區(qū)域較小，材料整體結(jié)構(gòu)完整，這表明W/ZrC金屬陶瓷具有優(yōu)異的抗激光燒蝕性能。W/ZrC金屬陶瓷的激光燒蝕機(jī)理主要為氧化燒