新一代超高溫結構材料MoSi2的一個研發難點

  MoSi2具有高(gao)(gao)達2030°C的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)熔(rong)點、較(jiao)低的(de)(de)(de)(de)(de)密度(6.24g/cm3)和優異(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)抗(kang)氧化性能以及良好的(de)(de)(de)(de)(de)導熱性和導電性,故被認為是(shi)繼Ni基高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)合金(jin)(使用溫(wen)(wen)(wen)度<1100°C)以及第二代(dai)(dai)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)TiAl合金(jin)之后的(de)(de)(de)(de)(de)第三代(dai)(dai)超(chao)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)結構(gou)材(cai)料。但(dan)是(shi),MoSi2也有一(yi)些致(zhi)命的(de)(de)(de)(de)(de)缺點,阻礙了(le)它的(de)(de)(de)(de)(de)實際(ji)應用。除了(le)低溫(wen)(wen)(wen)脆性較(jiao)大(韌(ren)脆轉變溫(wen)(wen)(wen)度在(zai)900~1000°C)、1300°C以上高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)強度不足,尤其是(shi)蠕變抗(kang)力比較(jiao)低之外,MoSi2在(zai)400~600°C會出現(xian)加速氧化的(de)(de)(de)(de)(de)現(xian)象,最終(zhong)會由致(zhi)密體變成粉末,引起材(cai)料災難性的(de)(de)(de)(de)(de)毀壞。這種(zhong)低溫(wen)(wen)(wen)氧化現(xian)象在(zai)學術界被稱作(zuo)Pest現(xian)象,是(shi)該材(cai)料作(zuo)為實用的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)結構(gou)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)個研(yan)發(fa)難點。

  目前關(guan)于MoSi2的(de)(de)Pest現象機理的(de)(de)研究認為:Mo氧(yang)化(hua)物(wu)的(de)(de)揮發導致(zhi)SiO2膜不連續和不致(zhi)密(mi);樣品本身不夠致(zhi)密(mi)或者存在(zai)裂紋(wen),使得氧(yang)原子能夠快(kuai)(kuai)速(su)(su)進入(ru)材(cai)(cai)料(liao)(liao)內(nei)部(bu);雜質(zhi)元(yuan)素(su)O,N在(zai)晶(jing)界優先(xian)擴散(san)等(deng),這些(xie)因(yin)素(su)導致(zhi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)快(kuai)(kuai)速(su)(su)氧(yang)化(hua)。基于上(shang)述(shu)分析,目前對于克服(fu)MoSi2的(de)(de)Pest問題(ti)的(de)(de)研究思(si)路,主要有以下幾種:提(ti)(ti)高MoSi2的(de)(de)純度;提(ti)(ti)高材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)致(zhi)密(mi)度;添(tian)加相對于Si與O有更強親(qin)和力的(de)(de)元(yuan)素(su),降低內(nei)部(bu)氧(yang)化(hua)造成的(de)(de)體積(ji)膨脹,從而(er)抑制(zhi)Pest效應;采用(yong)高溫預氧(yang)化(hua)形成致(zhi)密(mi)的(de)(de)SiO2膜,在(zai)材(cai)(cai)料(liao)(liao)表面(mian)形成玻(bo)璃(li)保護層,降低氧(yang)化(hua)速(su)(su)率(lv),等(deng)等(deng)。

  試驗表(biao)明(ming),采用放電等離子燒結(jie)(jie)(jie)方法(fa)將Mo粉(fen)與(yu)Si粉(fen)混合物原位合成(cheng)制備(bei)成(cheng)高(gao)(gao)致(zhi)(zhi)(zhi)密的(de)(de)MoSi2,其致(zhi)(zhi)(zhi)密度(du)高(gao)(gao)于將MoSi2粉(fen)末直(zhi)接燒結(jie)(jie)(jie)制備(bei)而成(cheng)的(de)(de)MoSi2,結(jie)(jie)(jie)果(guo),前者(zhe)在(zai)Pest現象(xiang)溫(wen)度(du)區表(biao)現出(chu)明(ming)顯(xian)(xian)優于后(hou)者(zhe)的(de)(de)抗氧(yang)化(hua)性,這(zhe)說明(ming)材(cai)料(liao)的(de)(de)致(zhi)(zhi)(zhi)密度(du)對于其抗氧(yang)化(hua)性能有重要(yao)影響。另(ling)外(wai),用原位合成(cheng)工藝,可以(yi)制備(bei)SiC顆(ke)(ke)粒(li)增強的(de)(de)MoSi2基復合材(cai)料(liao),該復合材(cai)料(liao)致(zhi)(zhi)(zhi)密度(du)高(gao)(gao)達99.5%以(yi)上,界面為直(zhi)接的(de)(de)原子結(jie)(jie)(jie)合,無非晶(jing)層存在(zai)。由(you)于該材(cai)料(liao)的(de)(de)高(gao)(gao)致(zhi)(zhi)(zhi)密度(du),孔(kong)隙率低,無裂(lie)紋,極大(da)地降低了O通過(guo)這(zhe)些缺陷(xian)進入材(cai)料(liao)內(nei)部的(de)(de)擴散速率,使粉(fen)化(hua)形核和生(sheng)(sheng)長速度(du)明(ming)顯(xian)(xian)減慢,有效地減緩了氧(yang)化(hua)。該材(cai)料(liao)在(zai)500°C下(xia)(xia)經(jing)過(guo)1000小時氧(yang)化(hua)后(hou),仍未發生(sheng)(sheng)Pest現象(xiang)。這(zhe)種SiC顆(ke)(ke)粒(li)增強的(de)(de)MoSi2基復合材(cai)料(liao),不僅(jin)抗氧(yang)化(hua)性能好,而且其斷裂(lie)韌(ren)性也比單一(yi)MoSi2提高(gao)(gao)了25%~46%;1000~1400°C下(xia)(xia)的(de)(de)壓縮流變應力(li)明(ming)顯(xian)(xian)高(gao)(gao)于單一(yi)MoSi2;1200~1400°C下(xia)(xia)的(de)(de)壓縮蠕(ru)變性能也明(ming)顯(xian)(xian)提高(gao)(gao)。

  另(ling)據報道,用機械合(he)金化(hua)(hua)制(zhi)備含(han)La2O3的(de)(de)Mo-Si粉末,并(bing)進行(xing)燒結,制(zhi)成La2O3增韌的(de)(de)MoSi2復合(he)材料。該材料未發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)Pest現(xian)象(xiang),其(qi)原因(yin)在于表面形(xing)成了致密的(de)(de)SiO2保(bao)護(hu)膜(mo)。用Al合(he)金化(hua)(hua)的(de)(de)MoSi2,在400°C、600°C、700°C下(xia)都有(you)很好的(de)(de)抗氧(yang)(yang)化(hua)(hua)性(xing)(xing)(xing)能,質量變(bian)化(hua)(hua)較(jiao)少,其(qi)原因(yin)就在于材料表面形(xing)成了連續的(de)(de)3Al3O2.2SiO2保(bao)護(hu)膜(mo);但它在500°C氧(yang)(yang)化(hua)(hua)過程中,卻發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)了Pest現(xian)象(xiang),原因(yin)在于此時大量生(sheng)(sheng)(sheng)成揮發(fa)性(xing)(xing)(xing)MoO3相,破壞了3Al3O2.2SiO2保(bao)護(hu)膜(mo)的(de)(de)形(xing)成;而由(you)Al和Nb共同合(he)金化(hua)(hua)的(de)(de)MoSi2,在500°C下(xia)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)50小(xiao)時后,材料中MoO3和Mo9O26含(han)量變(bian)化(hua)(hua)不大,并(bing)出現(xian)了Al2O3,其(qi)抗氧(yang)(yang)化(hua)(hua)性(xing)(xing)(xing)得到了提高。