原位热压合成TiB2-TiC0.8/SiC复相陶瓷及性能研究

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本文在热压条件下,采用原位合成技术,以TiH2、B4C和SiC为原料,在不同温度下,成功制备出不同SiC含量的TiB2-TiC0.8/xSiC复相陶瓷材料。对材料的组织性能进行了研究。热压原位合成的SiC含量为10、20、30mol的TiB2-TiC0.8/SiC复相陶瓷具有很好的致密度,相对密度达到了99.8%以上。SiC含量为10mol的TiB2-TiC0.8/SiC复相陶瓷在烧结温度1900℃以上,可以完全致密化,显微组织为黑色SiC,灰白色块状TiC08,灰色条状TiB2。SiC含量超过20mol,热压条件下致密化所需要的温度为2100℃。在1900℃烧结得到的致密TiB2-TiC0.8/10SiC复相陶瓷表现出优异的维氏硬度、断裂韧性、弯曲强度和导电率,分别达到23.6GPa,7.0±1.0MPa·m1/2,470.9MPa和2.2-2.5×106S·m-1.而前期经过冷等静压处理后,热压复相陶瓷材料的断裂韧性和弯曲强度进一步提升至8.3±1.0MPa·m1/2,516.69MPa。热压原位合成的TiB2-TiCo.8/SiC复相陶瓷中的TiB2、TiC0.8与SiC颗粒协同,通过裂纹偏转、晶粒拔出、晶粒细化等机制对复合材料起到颗粒增强增韧的作用。TiB2-TiC0.8/SiC复相陶瓷材料具有优异的抗氧化性能,其高温氧化动力学曲线经曲线拟合处理后基本遵循抛物线型氧化或者抛物线-直线型氧化规律。随着SiC含量的增加,复相陶瓷的抗氧化性逐渐增强。在高温氧化状态下,不同SiC含量的复相陶瓷材料氧化层分为两层。两层氧化膜形成为内层是过渡层TiO2和SiO2膜,外层是TiO2和玻璃态B2O3。而在高温状态下,随着SiC含量增加,材料表面的保护膜由单纯的以SiO2膜为主转变为复杂的非晶膜硼硅酸盐玻璃。表明足量的SiC相能很好地保护机体。SiC的耐高温氧化作用、硼硅酸盐玻璃的钝氧化作用以及试样内部均匀的应力场共同致使TiB2-TiC0.8/SiC复相陶瓷表现出优异的抗氧化性能。在环块式摩擦磨损试验中,在低转速下,TiB2-TiC0.8/SiC复相陶瓷是以磨粒磨损为主,并且伴随有少量的氧化磨损和轻微的粘着磨损。高转速下,复相陶瓷是以粘着磨损为主同时伴随少量氧化磨损和磨粒磨损。转速一定时,随着载荷增加,TiB2-TiC0.8/SiC复相陶瓷材料形成由低载荷下的磨粒磨损为主的磨损机制转化为粘着磨损为主及氧化磨损为辅的磨损机制。在TiB2-TiC0.8/SiC复相陶瓷材料的疲劳性能试验中,TiB2-TiC0.8/SiC复相陶瓷样品的疲劳行为极不稳定,呈现出明显的不确定性。复相陶瓷的室温循环107周次的疲劳极限是323MPa~366MPa。TiB2-TiC0.8/SiC复相陶瓷的疲劳强度在低周次循环中不存在裂纹源,几乎完全脆性断裂,其形貌与完全断口形貌相似;高周次循环中,材料的裂纹源位于尖角处,在此处萌生的裂纹源随着循环周次的增加,逐渐沿着烧结缺陷(孔洞)链接称为主裂纹并导致断裂。TiB2和TiC0.8晶粒的拔出以及发生的沿晶、穿晶断裂等机制对复相陶瓷的疲劳以及弯曲强度起到颗粒增强增韧的作用。
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