ZrC基陶瓷中纳米相的析出行为与机理及对性能的影响

碳化锆陶瓷具有高熔点、高硬度、高模量、高电阻率，优异的热稳定性和化学稳定性等特点在超高速飞行器、第四代核反应堆等诸多领域有广泛的应用前景，但难烧结、力学性能差的缺点限制了其应用。本项目提出在ZrC中引入钨，采用固溶时效方法获得晶内自生纳米相提高力学性能的新思路。利用ZrC为非化学计量化合物的性质以及W在ZrC中的固溶度随温度变化的特点，根据过饱和固溶体脱溶析出的原理，采用反应烧结与后续高温固溶时效处理相结合的工艺，实现富W相纳米颗粒在ZrC晶粒内的弥散析出，获得ZrC晶内自生纳米相强韧化ZrC基陶瓷；并系统研究成分、烧结温度和热处理工艺对材料微观组织和力学性能的影响规律，揭示纳米相的相变过程、析出机理及强韧化机制，最终获得性能优异的ZrC基陶瓷。本项目的完成将丰富纳米陶瓷的强韧化理论，为陶瓷基复合材料的优化设计和强韧化提供新的思路，为开发高温高强材料开辟新的途径。

本项目旨在提高新一代超高温ZrC陶瓷材料体系的力学性能，提出了利用固溶时效的方法获得晶内自生纳米相的思想。采用反应烧结与后续高温固溶时效处理相结合的工艺，获得了结构致密、组织均匀、性能优异的ZrC-W和ZrC-Nb复合材料，并系统研究了成分、烧结温度和固溶时效处理工艺对ZrC-W复合材料物相组成、微观组织和力学性能的影响规律。.研究成果表明：对于ZrC-W及ZrC-Nb复合材料，均存在W/Nb向ZrC晶格扩散，形成(Zr,W)C或(Zr,Nb)C固溶体的现象，球磨过程中引入的Fe在促进复合材料致密化的同时，可以有效提高固溶体中W/Nb的固溶量，在1900℃时，Nb在ZrC中的固溶度为33.3mol%，远高于相图的理论结果（20mol%）；随W/Nb含量的增加，复合材料抗弯强度和断裂韧性增大，ZrC-W复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别达到541MPa和8.8 MPa•m1/2，ZrC-Nb的则分别为295MPa和5.30 MPa•m1/2；第二相W/Nb的加入可以促进烧结，有效抑制ZrC晶粒长大，起到细晶强化作用。高温固溶处理可以进一步促进复合材料的致密化，随着固溶处理温度的升高和时间的延长，W在ZrC中的固溶量增大，最大固溶度接近10mol%，ZrC固溶体的点阵常数从0.46480nm降低到0.46396nm。由此确定了ZrC中W的固溶量与ZrC固溶体点阵常数的线性变化关系，直线的斜率为-1.0×10-4nm/at%W。纯相(Zr,W）C固溶体研究表明，相比于纯ZrC陶瓷，(W,Zr)C固溶体陶瓷的力学性能大大提高，其硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为：17.7GPa、369MPa和6.3MPa•m1/2。W-ZrC和W-NbC复合材料体系的氧化性能测试结果表明，复合材料低温（900℃和1100℃）氧化过程由反应控制，而高温（1300℃）氧化过程由扩散控制；通过对比氧化增重曲线及氧化层厚度，得到各材料高温抗氧化性分别为W>W-NbC＞ZrC>NbC>W-ZrC。.本项目的实施为陶瓷基复合材料的优化设计和强韧化提供新的思路，为制备纯相固溶体材料提供新的方法，为开发高温高强材料提供新途径，同时对TiC基、WC基等难熔金属碳化物的强韧化研究也将有借鉴意义。