ZrB2基超高温共晶复合陶瓷的燃烧合成熔铸方法

以具有代表性的ZrB2/SiC，ZrB2/ZrC/SiC超高温陶瓷为研究对象，探索一种新的超高温共晶复合陶瓷的燃烧合成熔铸技术。在共晶熔体快速凝固过程中，产物中形成纳米尺度长纤维增强的有序复合结构，提高超高温陶瓷的断裂韧性，适应极端环境对超高温陶瓷抗热冲击性能的要求，提高超高温陶瓷工作可靠性。.研究其燃烧合成反应机理和共晶熔体的微观结构演化基本规律，建立燃烧反应和凝固过程的理论模型，并进行实验验证。研究超高温共晶复合陶瓷燃烧合成熔铸的工艺规律，分析产物的微观结构，对室温、高温的力学性能、抗氧化性、抗热冲击性能进行表征。

共晶陶瓷是原位生成的具有精细有序微观结构、优异的热稳定性和力学性能，本项目以镁、铝等高活性金属与硝酸盐为反应剂、采用燃烧合成离心熔铸方法制备硼化锆基共晶陶瓷，研究了其高温反应特性、合成机理、离心熔铸规律和微观组织结构。热力学计算了活性反应剂与体系绝热温度和压力之间的关系。实际测量了不同反应条件下燃烧合成反应的温度、压力、燃烧速度，对产物的相组成进行了测试和分析。反应体系为强放热体系（3000K-4000K），通过改变原料的配比，可以大幅度降低体系压力，提高工艺的安全性。合成的ZrB2/SiC共晶陶瓷具有非规则片层状微观结构，ZrB2和SiC的平均片层间距为1μm，SiC的平均摩尔百分含量为61%，ZrB2与SiC的体积比为1：1。研究表明，SiC在高温下具有分解趋势，形成具有高化学稳定性的ZrC，加入合适的添加剂有效地解决了这一难题。研究了反应剂含量和SiC的粒径对共晶组织的影响规律。ZrB2/SiC共晶陶瓷铝热燃烧合成的熔铸机理为：高放热快速的燃烧合成反应，为体系提供了较高的温度，使材料在短时间内全部熔化，充分互溶，在快速凝固的条件下，形成精细的共晶组织。对燃烧合成熔铸模型进行理论分析，分别对体系中颗粒熔化过程、陶瓷液相扩散过程及凝固过程进行理论计算及模拟。采用研制的燃烧合成离心熔铸装置，制备了共晶陶瓷的熔铸试样。受制于设备的离心力较低，难以完成硼化物熔体和氧化物熔体的完全分离。选择熔点低容易实现的Al2O3/ZrO2共晶体系，研究了离心熔铸的工艺规律，制备了Φ50mm*50mm的Al2O3/ZrO2共晶陶瓷，强度1060MPa，断裂韧性11.2MPam1/2。以燃烧合成爆炸喷涂的方法，实现了用Al2O3/ZrO2共晶陶瓷熔体的快速凝固，研究了不同的冷却速度情况下，共晶组织微观结构的演化规律。对冷却的温度场进行了数值模拟，给出了特征凝固区间的冷却速度范围。我们利用超高温燃烧反应，探索研究了多种体系的超高温下熔化行为和相变行为，研究表明高温硼化物具有很多有价值的共晶体系，如ZrB2/SiC、ZrB2/WC、ZrB2/ LaB6、HfB2/LaB6等。