MoNbWTaC系复合材料的组织结构及力学性能研究

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随着现代社会科技的飞速发展,人们对于材料的性能要求越来越高。航空航天领域的高温材料经常在高温高压的极端环境下工作,因此需要非常优异的耐高温性能。近几年高熵合金因其高硬度、高强度、抗氧化、抗腐蚀、耐高温等优异的性能被广泛研究。其中,由难熔元素组成的难熔高熵合金更是高温力学性能优异。共晶高熵合金也因为良好的高温稳定性和抗高温蠕变性能被广泛报道。本文在难熔高熵合金的基础上添加高熔点陶瓷相WC和Ta C,通过CALPHAD相图模拟软件预测了复合材料的相图及元素成分分布,然后使用电弧熔炼法制备得到具有类共晶组织的MoNbWTa系难熔高熵合金基复合材料。本文通过改变WC和Ta C的含量分别对MoNbTa(WC)x和MoNbW(Ta C)x复合材料的组织结构及其力学性能进行了深入研究与讨论。最后,本文对室温力学性能优异的MoNbW(Ta C)x复合材料进行了高温稳定性和高温力学性能测试。本文通过CALPHAD软件成功预测了MoNbTa(WC)x复合材料的元素成分分布。MoNbTa(WC)x复合材料是由BCC相和细层片状共析组织构成的类共晶结构。细层片状共析组织是由BCC相和FCC-MC相组成。BCC相为含有Mo、W、Nb、Ta四种金属元素的固溶体相,其中W元素含量随着WC的添加增多。FCC-MC相为含有Mo、W、Nb、Ta四种金属元素的多组元碳化物固溶体相,其中金属元素成分分布大致为Mo:Nb:Ta:W=1:3:4:1。随着WC的添加,MoNbTa(WC)x复合材料的硬度、屈服强度及抗压强度均增强,断裂应变降低。其中MoNbTa(WC)0.5复合材料综合力学性能良好,屈服强度、抗压强度、断裂应变分别为1303MPa、2214MPa、15.24%。据推测,MoNbTa(WC)x复合材料凝固过程中先发生共晶反应形成BCC相和多组元亚碳化物相(Mo,Nb,Ta,W)2C的共晶组织,随后多组元亚碳化物相发生共析反应分解为BCC相和FCC-MC相的共析组织。分析认为,MoNbTa(WC)x复合材料的强化机制主要是固溶强化和第二相强化的结合。本文通过CALPHAD软件成功预测了MoNbW(Ta C)x复合材料的相组成和元素成分分布。MoNbW(Ta C)x复合材料的微观组织表现为BCC相和细层片状共析组织构成的类共晶结构。其中细层片状共析组织由BCC相和FCC-MC相组成。BCC相为含有Mo、W、Nb、Ta四种金属元素的固溶体相,元素成分分布大致为Mo:W:(Nb+Ta)=3:4:3。FCC-MC相为含有Mo、W、Nb、Ta四种金属元素的多组元碳化物固溶体相,其中金属元素成分分布大致为Mo:W:(Nb+Ta)=1:1:8。当Ta C的添加摩尔比为0.9时,复合材料具有完全类共晶组织结构。随着Ta C的添加,复合材料中FCC-MC相增多,复合材料的硬度和屈服强度不断提升、断裂应变降低。其中,MoNbW(Ta C)0.9复合材料的抗压强度最高,为2779 MPa,屈服强度和断裂应变分别为1458MPa和12.56%。据推测,MoNbW(Ta C)x复合材料凝固过程中先发生共晶反应形成BCC相和多组元亚碳化物相(Mo,Nb,Ta,W)2C的共晶组织,随后多组元亚碳化物相发生共析反应分解为BCC相和FCC-MC相的共析组织。分析认为MoNbW(Ta C)x复合材料的强韧化机制为第二相强化和细晶强化的结合。对比MoNbTa(WC)x和MoNbW(TaC)x复合材料的常温力学性能发现,MoNbW(Ta C)0.9复合材料在具有最高抗压强度的同时也有12.56%的断裂应变。在MoNbTa(WC)x复合材料中,过量WC的添加会导致复合材料低塑性,而少量WC添加的复合材料强度不高。因此本文选择强塑性良好的MoNbW(Ta C)x复合材料进行了高温稳定性和高温力学性能测试。MoNbW(Ta C)0.5、MoNbW(Ta C)0.9复合材料经800°C、1200°C、1600°C退火12小时后相组成和组织结构仍然和室温一致。不同温度下进行高温退火的复合材料组织结构基本不变,但是比室温组织更加均匀。MoNbW(Ta C)0.9复合材料在1200°C的工程抗压强度和断裂应变高达2193MPa和36.9%,具有良好的强韧性。得益于MoNbW(Ta C)0.9复合材料的完全类共晶组织,和相关难熔材料的高温力学性能对比,MoNbW(Ta C)0.9复合材料的强度都是最高的。
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