ZrB2-SiC基超高温金属陶瓷的强韧化设计与制备

ZrB2-SiC ceramics have important applications in the ultra high temperataure area. However, the ZrB2-SiC ceramic is still inappropriate for practical application due to its low fracture toughness. In this project, we propose to fabricate ZrB2-SiC-W(Re) cermets for improving the toughness. In order to avoid the strong reaction between ZrB2, SiC and W(Re), we try to design a core-shell structure with 2 shells, ZrC and W(Re). ZrC shell is inserted into the core (ZrB2-SiC) and the W(Re) shell. The ZrC shell prevents the reaction between ZrB2, SiC and W(Re), resulting in the preservation of W(Re) added in a small amount. The W(Re) preserved can greatly increase fracture toughness of the composite due to its high toughness. Firstly, we will study the relationship between the property of the cermets and the microstucture parameters, such as the thickness of the shell, the particle size of the core, the amount and the distribution of W(Re).Then, We will explore the techniques for chemical Zr/W(Re)-plating on powders and carbonization of the Zr coating to achieve the core-shell structure in the powder. Subsequently,we will research the relationships between the structure of the cermets and the sintering processes.We will also evaluate the mechnical property and resisatance to oxidation and thermal shock. Finally, we will prepare the ZrC@ZrB2(SiC)-W(Re) cermet according to the optimal design and sintering process to achieve the strengthening and toughnening effect.

ZrB2-SiC基超高温陶瓷在超高温领域有着重要应用。但其韧性低，目前采用的增韧方法增韧效果有限。与金属复合是大幅度提高其韧性的新途径。但是，ZrB2-SiC与难熔金属极易反应，使得直接与难熔金属复合提高韧性十分困难。本项目拟通过包裹技术，制备ZrC@ZrB2(SiC)-W(Re)金属陶瓷，在基体与金属间插入反应阻挡层ZrC，减缓或避免金属W(Re)与ZrB2及SiC的反应，从而使少量添加的金属相大部分保留下来，起到增韧作用。主要设计包裹层厚度、含量、内核的粒度、金属相含量及分布形态等微结构参数，揭示微结构参数与材料性能的关系；研究粉体表面化学镀Zr、W(Re)的工艺及Zr镀层的碳化技术，实现粉体的双层包裹；研究SPS烧结工艺与复合材料结构之间的关系；评价复合材料的力学性能、抗氧化性能和抗热冲击性能，探明其性能与结构之间的关系；制备出高韧性抗氧化的超高温金属陶瓷。

ZrB2基超高温陶瓷在超高温领域有着重要应用。但其韧性低，目前采用的增韧方法增韧效果有限。本项目提出与金属复合的途径来提高其韧性，解决基体与金属相强烈反应的问题。主要是采用包裹隔离的方法，在基体表面上包裹不与金属反应的隔离层。研究开发了多种包裹工艺：在粉体表面通过化学镀的方法实现了高活性金属锆铝的还原；液相原位氧化在ZrB2表面形成氧化层；采用沉积工艺在ZrB2、ZrB2-SiC表面形成ZrC膜。研究了工艺参数对包裹效果的影响，获得了适宜的包裹工艺条件：化学镀锆时的还原电位应与Zr4+的还原电位相当，1.5V比较适合；液相原位氧化时需要8M以上的高碱浓度及一定的氧化剂；溅射沉积时，沉积温度对膜的致密度、结晶性等有大的影响，温度越高对制备高致密膜越有利。在基体与金属间插入隔离层后，制备了金属/陶瓷复合材料。研究探明了膜厚、烧结温度、烧结时间等工艺条件对复合材料结构与性能的影响：对不同的材料体系包裹隔离层实现隔离有不同的效果。当金属采用Nb时，由于Nb与Zr的相似性，可与Zr发生置换，只有在低温（1500度）下才可实现较大程度的隔离；对金属W在1700℃仍可有较好的隔离效果。插入隔离层可以明显改善基体与金属相的反应。未插入隔离层时，Nb金属相完全消失，复合材料ZrB2-SiC/Nb韧性仅有7.1 MPam1/2，有隔离层时ZrB2-SiC/ZrC/Nb提高到了9.6 MPam1/2优化工艺后，复合材料韧性可达到11.1MPam1/2，表明采用隔离层是减少陶瓷基体与增韧金属相反应的有效方法，可以大幅度提高材料的韧性。