燃烧合成TiB2-Cu金属陶瓷的抗烧蚀性外文翻译资料

 2023-02-23 15:30:12

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燃烧合成TiB2-Cu金属陶瓷的抗烧蚀性

Xing-Hong Zhang,w Jie-Cai Han, and Xiao-Dong He

Centre for Composite Materials, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

Xing-Hong Zhang, Cheng Yan, and Bao-Lin Wang

Centre for Advanced Materials Technology (CAMT), School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering

J07, University of Sydney, Sydney, NSW 2006, Australia

Qiang Xu

Department of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

以元素钛、硼和铜粉为原料，采用燃烧合成法制备了TiB2–Cu陶瓷-金属复合材料。合成产物由两个相组成：TiB2和铜。铜的加入提高了TiB2的强度、断裂韧性、热膨胀系数和导热系数。采用等离子炬电弧加热器对TiB2-Cu复合材料进行了研究。当等离子体弧流到达试样表面时，TiB2整体发生了灾难性的破坏。但TiB2-Cu陶瓷-金属复合材料烧蚀表面未发现裂纹。TiB2-40Cu复合材料的质量损失率为4.09%，接近传统的W/Cu合金。检测到金属粘结剂的挥发和TiB2的机械侵蚀是烧蚀的主要机制。提出了TiB2-Cu复合材料的烧蚀过程模型。

  1. 介绍

铜渗钨（Cu/W）合金具有高温强度高、抗热震性好、抗烧蚀性能好等优点1，在航天推进和热防护系统中得到了广泛的应用。然而，Cu/W合金的缺点是其高密度（＞16g/cm3），这限制了其在火箭发动机等需要轻量化的先进结构中的应用2。近年来，在陶瓷/金属复合材料中加入第二种金属相以增强和增韧陶瓷基体的研究越来越受到人们的关注。在陶瓷基体中加入颗粒可以通过特定的增韧机制（如裂纹钝化、裂纹尖端屏蔽和裂纹偏转）提高抗裂性。人们对金属颗粒增韧陶瓷基复合材料的热力学性能进行了大量的研究3-5。但是，对于陶瓷/金属复合材料在恶劣加热条件下的抗热震性和抗烧蚀性能的研究还很有限。

TiB2/Cu陶瓷-金属复合材料的制备和组织控制的概念与W/Cu合金相似。TiB2陶瓷密度低（4.52 g/cm~3），熔点高（3253 K），导热系数高，是替代钨的主要材料。先前的研究表明，不像其他金属结合剂如Fe、Co或Ni7，在TiB2中加入铜结合剂时，即使在高温下6也不会发生陶瓷与金属之间的化学反应，也不会形成随后的脆性相。因此，铜被选为TiB2的金属结合剂。燃烧合成，也称为自蔓延高温合成（SHS），用于制备TiB2-Cu复合材料。SHS工艺是利用耐火材料形成过程中产生的极端反应热而设计的。SHS具有能耗低、工艺设备相对简单、产品纯度高、成本低等优点8。研究了钛、硼、铜粉自蔓延高温合成TiB2-Cu复合材料的组织结构、抗热震性、烧蚀行为及烧蚀机理。

  1. 实验工作

商用级钛粉（尺寸40–70 um, 99.5% Ti,0.3% O,0.04% H,0.07% Fe),非晶态硼（1um,96% B,1.8% Mg,1.5% O,0.24% Fe)和铜粉（70–100 um，99.7%铜，0.015%铁，0.05%水）用作前体，并根据以下反应对其进行称重：

Ti 2B 40wt%Cu → TiB2 40wt%Cu （1）

将Ti、B和Cu粉末反应物在无定形钢瓶中干燥混合，并在不锈钢模具中单轴冷压制备直径55mm的圆柱形压坯，压力33MPa。将冷压试样置于特殊的SHS反应器中，通过自蔓延放热反应和热等静压合成TiB2-Cu复合材料。SHS/HIP流程的详细信息已在其他地方报告9。用扫描电子（JSM-5610LV，日本东京JEOL）和透射电子显微镜（CM12/STEM，Philips，Eindhoven，荷兰）研究了TiB2–铜复合材料的微观结构。以0.5mm/min的十字头速度，采用三点弯曲试验（试样尺寸 = 30times;3times;4 mm 以及跨度=20 mm)测量弯曲强度。通过在试样拉伸表面上安装应变计，记录荷载-位移曲线。采用单边缺口梁弯曲（SENB）法（2times;4times;20 mm，缺口深度和半径分别为2和0.2 mm），跨度为16 mm，十字头速度为0.05 mm/min，用阿基米德浸水法测定密度。用热机械分析仪（TAS100-TMA/H，日本东京，Rigaku）测定了3times;4times;10 mm样品在环境温度至1000℃下的热膨胀系数。用激光闪光技术测量了样品10times;（1.5–2）和phi;8times;35mm的热扩散率和比热。导热系数由热扩散率、比热和密度的测量值计算得出。进行了五次机械性能试验和至少三次热物理性能试验。

为了评估热冲击和烧蚀阻力，采用电子放电加工、表面研磨和抛光的方法制备了直径为30mm、高度为10mm的TiB2、TiB2-20Cu、TiB2-30Cu、TiB2-40Cu复合材料和W/Cu合金圆柱盘。烧蚀试验在等离子炬电弧加热器（PCS250，常州，大太平洋电气设备有限公司，中国）中进行（图1），最大电弧温度＞5000℃。选择氮气作为烧蚀气体，烧蚀持续20s。烧蚀条件见表一。使用高温计测量试样表面温度，最大值为3000K。通过在烧蚀试验前后对试样进行称重，采用精度为0.1g的电子天平计算质量损失率，用扫描电镜（SEM）研究了TiB2/Cu复合材料烧蚀前后的显微组织和断裂特征。为了进行基准比较，在相同的条件和程序下测试了W/Cu合金的烧蚀行为。

图1 等离子弧加热示意图

电弧电流（A）

550plusmn;10

电弧电压（V）

185plusmn;5

等离子弧加热器功率（kW）

～95

氮气压力（kPa）

490

氮气流量（g/s）

4.4

喷嘴直径（mm）

8

样品表面到喷嘴的距离（mm）

10plusmn;0.2

等离子弧热流密度（kW/m2）

25121plusmn;126

表一 等离子体烧蚀实验条件

III.结果和讨论

（1）.合成复合材料的相组成及微观结构特征

在燃烧合成过程中，钛、硼和铜可能根据以下化学反应形成可能的产物。

Ti 2B → TiB2 （2）

Ti B → TiB （3）

Ti Cu → TiCu （4）

为了确定合成产物的反应方向和相组成，计算了合成产物的自由能。（2）-（4）根据热力学数据10进行了理论计算，计算出的TiB2反应自由能是三种可能产物中最低的。因此，TiB2是Ti-B-Cu体系中的稳定相。计算得到的TiCu反应自由能为负值，但较小，不太可能在反应过程中形成。即使形成TiCu2，它也可以进一步与硼反应形成TiB2，如下所示：

TiCu 2B → TiB2 Cu （5）

图2显示了TiB2/Cu陶瓷-金属复合材料的X射线衍射图。结果表明，产物中存在TiB2和铜相，但未发现TiCu金属间相。这些结果与热力学计算结果一致。

图3显示了由SHS制备的TiB2–40Cu复合材料典型微观结构的扫描电镜照片。如图3（a）所示，TiB2陶瓷颗粒均匀分布，整体结构与W/Cu合金相似。能量色散X射线（EDX）分析表明TiB2颗粒间的暗结合相为铜。复合材料的相对密度为96.1%。高倍镜下，TiB2的形态是等轴的（图3（b））。TiB2具有C32结构（六角形，a=3.033，b=3.06，c=4.56a），其特征是Ti面和类石墨b网络沿c方向11交替堆积。TiB2生长最慢的平面是基底面｛0001｝和棱柱面｛1100｝家族，生长最快的平面属于｛1120｝家族，说明TiB2应具有板状或相当等轴的生长形态。

TiB2颗粒的尺寸很小（1-6mm），是因为冷却速度太快，颗粒没有时间生长。

图4给出了陶瓷和金属粘合剂之间界面区域的透射电镜。Cu与TiB2之间的界面非常清晰，结合良好，陶瓷与金属之间没有发生化学反应，也没有随后形成脆性相。

图2 TiB2-40Cu复合材料的XRD图谱

图3 TiB2-40Cu复合材料的扫描电镜照片 （a） 低放大倍数 和（b）高放大倍数。

图4 TiB2-40Cu复合材料中TiB2与Cu的界面。

  1. 抗热震性

TiB2-Cu复合材料和W/Cu烧蚀前后的形貌如图5所示。对于W/Cu合金，未发现裂纹（图5（a）），但当等离子弧流到达其表面时，整体TiB2陶瓷发生断裂（图5（b））。TiB2-40Cu陶瓷-金属复合材料烧蚀表面可见明显的孔洞（图5（c））。烧蚀过程中及高温冷却后表面均未发现裂纹。这意味着TiB2-Cu复合材料具有很好的抗热震性和抗烧蚀性。

当复合材料暴露在等离子炬电弧加热器中时，其表面温度在很短的时间内急剧升高。加热到3000k只需1s左右，由于复合材料的表面积和体积之间的温差，会产生较大的热应力。但烧蚀表面未发现裂纹，表明复合材料具有很好的抗热震性能。随着热传导向大块复合材料，温度最终会在整个样品体内平衡。20s后电弧加热器断电，试样快速冷却时热应力很大。当热应力达到临界值（等于材料的断裂强度）时，就会发生断裂。如果存在缺陷，并且当与正常的热应力结合时12，当超过断裂韧性时，裂纹会开始扩展。烧蚀后的裂纹比烧蚀前或烧蚀开始时容易形成。然而，W/Cu合金和TiB2-40Cu复合材料均未出现断裂。

为了评价TiB2/Cu复合材料的热应力诱导裂纹萌生和扩展，计算了三个抗热震参数：断裂抗力参数（R）、损伤抗力参数（RIV）和裂纹稳定性参数（Rst）。这些参数通常用于评估陶瓷的热冲击性能，定义如下：

式中s为拉伸强度，n为泊松比，a为热膨胀系数，E为弹性模量，g为断裂表面能，KIC为断裂韧性。这三个热冲击参数的物理解释已经给出13-15。

表二给出了整体TiB2、TiB2–40Cu复合材料和W/Cu合金的机械和热物理性能。

表二 TiB2-Cu复合材料的力学和热物理性能

随着Cu的加入，TiB2的强度、韧性、热膨胀系数和导热系数增加，但弹性模量降低。与TiB2-40Cu复合材料相比，W/Cu合金具有更高的韧性和导热性。还计算了热冲击参数，并在表III中给出。随着铜的加入，TiB2的R、RIV和Rst大大增加，分别提高了86%、64%和143%。这些结果证实了在TiB2中加入Cu对TiB2的抗热震性能有一定的影响。TiB2-40Cu复合材料的R值与W/Cu合金相近，表明它们具有相似的抗热应力断裂性能。然而，对于TiB2-40Cu复合材料，其热应力损伤参数RIV和裂纹稳定性参数Rs

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