超高温陶瓷颗粒增强难熔金属基复合材料的高温力学性能及其强韧化机理研究

According to the significant demands in advanced manufacturing and national defense, this project will study the high temperature mechanical properties and their strengthening-toughening mechanisms of refractory metal matrix composites reinforced with ultra-high temperature ceramic particles. The key research contents are as follows. (1) Making use of the laser cladding process, x(ZrB2-SiC)-NbMo composites with high relative density and different volume fractions of ceramics will be prepared.Microstructures and physical properties of the composites will be studied. (2)Under fifferent strain rates, strength, brittle to ductile transition temperature of the composites from room temperatures to 1800℃ will be studied experimentally. (3) Based on the experiment, theoretical analysis and numerical simulation, the properties of interface bonding between ceramics and matrix, interface damage behavior and dislocation movement of matrix will be studied. Effects of the properties on the strength, plasticity and brittle to ductile transition temperature of the composites will be also studied. (4) The effects of the volume fractions of ceramics on the oxidation behaviors of the composites at high temperatures will be studied. The results will provide an important scientific basis for applications of the refractory metal matrix composites reinforced with ultra-high temperature ceramic particles in future.

以先进制造、国防领域的重大需求为研究背景，研究超高温陶瓷颗粒增强难熔金属基复合材料的高温力学性能与强韧化机理。重点研究内容包括：（1）利用高功率激光熔覆技术制备高致密度、不同陶瓷相含量的x(ZrB2-SiC)-NbMo复合材料样品，并研究其组织结构和物性；（2）在室温-1800℃温度范围内，研究不同应变率、不同陶瓷相体积分数下该复合材料的强度、脆韧转变温度等特性；（3）基于实验、理论分析和数值模拟，研究陶瓷-基体的界面结合特性与损伤行为、基体位错运动特性及其对该复合材料强度、塑性和脆韧转变温度的影响；（4）研究陶瓷相体积分数对该复合材料高温氧化特性的影响机理。本项目的研究结果将为超高温陶瓷颗粒增强难熔金属基复合材料在高温与超高温环境中的未来应用提供重要的理论依据。

针对现有高温及超高温结构材料不能同时满足超高温、高强韧、耐氧化这一世界性难题，以先进制造、国防领域的重大需求为研究背景，探索制备并研究了超高温陶瓷增强难熔金属基复合材料的高温力学性能与强韧化机理。主要研究内容如下:.（1）利用超高温（2400℃-2600℃）热压烧结法及激光熔覆法成功制备致密度高于95%的x(ZrB2-SiC)-NbMo（x=0-60vol.%）及xZrB2-NbTi（x=0-60wt.%）复合材料样品，得到了优化工艺参数。.（2）研究了x(ZrB2-SiC)-NbMo及xZrB2-NbTi复合材料的成分设计（陶瓷相含量和基体相成分等）、制备工艺（烧结温度和保温时间等）、组织结构（相组成和微观形貌等）与室温力学性能(强度、硬度、断裂韧性和致密度等)的内在关系，获得了复合材料的室温强韧化机理。.（3）检测了室温至1700℃下复合材料压缩性能及断口形貌，揭示了温度、陶瓷相含量等对复合材料高温力学性能（强度和模量等）、韧脆转变温度及高温断裂模式的影响规律，获得了复合材料的高温强韧化机制。.（4）分析了x(ZrB2-SiC)-NbMo及xZrB2-NbTi复合材料在800℃-1200℃的高温氧化特性，获得了氧化产物相组成、形貌及氧化温度等对复合材料氧化动力学曲线、氧化膜与基体结合特性等的影响规律，揭示了复合材料的高温抗氧化机制。.基于实验结果，最终探明了超高温陶瓷颗粒增强难熔金属基复合材料的微观结构(陶瓷相含量、相组成及微观形貌等)对宏观力学性能(室温强度、高温强度、断裂韧性、韧脆转变温度、弹性模量、致密度及硬度等)及高温氧化性能的内在影响规律。为超高温陶瓷颗粒增强难熔金属基复合材料在高温与超高温环境中的未来应用提供了重要的理论依据。.项目发表论文12篇，其中SCI论文9篇、EI论文3篇；申请发明专利3项；培养博士生3名、硕士生7名；参加国际学术会议4次。