1、第44卷第7期2 0 2 3 年 7 月材 料 热 处 理 学 报TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENTVol.44 No.7July2023DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2022-0637ZrO2(Y2O3)含量对 Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)复合材料高温氧化性能的影响吴吉文1,颜建辉2,3,汪 异2,3,邱敬文3(1.湖南科技大学机电工程学院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大学高温耐磨材料及制备技术湖南省国防科技重点实验室,湖南 湘潭 411201;3.湖南科技大学材料科学与工程学院,
2、湖南 湘潭 411201)摘 要:为了研究 ZrO2(Y2O3)含量对 Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)复合材料高温氧化性能的影响,利用机械合金化与放电等离子烧结制备了 ZrO2(Y2O3)含量为 010 mass%的 Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)复合材料,研究了其在 800、1000 和 1200 下的高温氧化行为。结果表明:复合材料在 800 时均发生显著氧化,质量损失持续增加;随着 ZrO2(Y2O3)含量的增加,氧化质量损失速度降低,复合材料的抗氧化能力提升;低 ZrO2(Y2O3)含量(02.5 mass%)的复合材料在 1000 和 1200 下具备
3、优异的抗氧化性;高ZrO2(Y2O3)含量(510 mass%)的复合材料在 1000 下氧化严重,在 1200 发生灾难性氧化。关键词:Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)复合材料;ZrSiO4;高温氧化;硼硅玻璃相中图分类号:TB333 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2023)07-0039-09收稿日期:2022-12-20 修订日期:2023-04-10基金项目:国家自然科学基金(52175167);河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室开放基金资助(202203);湖南省教育厅项目(22C0259)作者简介:吴吉文(1988),男,博士研
4、究生,主要从事涂层制备及应用研究,E-mail:wenhnust 。通信作者:颜建辉(1973),男,教授,博士,主要从事高温结构材料及涂层防护研究,发表论文 80 余篇,E-mail:yanjianhui88 。引用格式:吴吉文,颜建辉,汪异,等.ZrO2(Y2O3)含量对 Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)复合材料高温氧化性能的影响J.材料热处理学报,2023,44(7):39-47.WU Ji-wen,YAN Jian-hui,WANG Yi,et al.Effect of ZrO2(Y2O3)content on high temperature oxidation pro
5、perties of Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)compositesJ.Transactions of Materials and Heat Treatment,2023,44(7):39-47.Effect of ZrO2(Y2O3)content on high temperature oxidation properties of Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)compositesWU Ji-wen1,YAN Jian-hui2,3,WANG Yi2,3,QIU Jing-wen3(1.School of Mechanical Engineering,
6、Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;2.Hunan Provincial Key Defense Laboratory of High Temperature Wear Resisting Materials and Preparation Technology,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;3.School of Materials Science and Engineering,Hunan Univ
7、ersity of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)Abstract:In order to investigate the effect of ZrO2(Y2O3)content on high temperature oxidation properties of Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)composites,the Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)composites with ZrO2(Y2O3)content of 0-10 mass%were prepared using mechanic
8、al alloying and spark plasma sintering,and their high temperature oxidation behaviors at 800,1000 and 1200 were studied.The results show that the composites undergo significant oxidation at 800,and the mass loss continues to increase.With the increase of ZrO2(Y2O3)content,the rate of oxidation mass
9、loss decreases,and the oxidation resistance of the composites increases.The composites with low ZrO2(Y2O3)content(0-2.5 mass%)exhibit excellent oxidation resistance at 1000 and 1200,while the composites with high ZrO2(Y2O3)content(5-10 mass%)undergo severe oxidation at 1000 and catastrophic oxidatio
10、n at 1200.Keywords:Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)composites;ZrSiO4;high temperature oxidation;borosilicate glass scale 由-Mo(Mo 固溶体)、Mo3Si、Mo5SiB2组成的三相 Mo-Si-B 合金具有高熔点、出色的高温强度和良好的抗氧化性等优点,有望替代镍基高温合金而成为有前景的高温结构材料,在燃气轮机、高超音速飞机和 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷太空飞行器等领域具 备 应 用 潜 力1-3。-Mo 为Mo-Si-B 合金的韧性相,而脆性金属间相 Mo3Si 和Mo5SiB
11、2可为合金提供出色的高温强度、高温抗蠕变性能4-7。-Mo 易氧化,其氧化生成 的 MoO3在650 以上开始挥发,致使合金在高温氧化时发生初始的快速质量损失;而 Mo3Si、Mo5SiB2在高温氧化过程中生成黏流的硼硅玻璃相(B2O3-SiO2)可填充缺陷并限制 MoO3的挥发,随着氧化表面硼硅玻璃相的形成,Mo-Si-B 合金的氧化速度降低8-9。故-Mo 体积分数增加,在增韧的同时也会显著降低合金的高温抗氧化性,而增加具有良好高温性能的金属间相(Mo3Si、Mo5SiB2)的含量又会导致合金较差的室温韧性,因此,如何同步获得具备良好室温韧性和高温抗氧化性能是 Mo-Si-B 合金性能调控
12、的一个关键问题。Mo-12Si-8.5B(at%)合 金 中-Mo、Mo3Si 和Mo5SiB2的体积分数分别约为 38%、32%和 30%,具备相对平衡的力学性能和高温抗氧化性能10-11,然而,其室温断裂韧性(9 MPa m1/2)不能完全满足工程应用的需求。大量研究表明11-14,Zr 对 Mo-Si-B 合金的室温强度和断裂韧性都有积极的影响,其重要原因是烧结生成的细小 ZrO2颗粒有弥散强化和细晶强化作用。为了探究外加 ZrO2颗粒对 Mo-Si-B 合金力学性能的影响,颜建辉等15研究了纳米 ZrO2(Y2O3)含量对 Mo-12Si-8.5B 合金断裂韧性的影响,当纳米ZrO2(
13、Y2O3)含 量 为1.5和2.5 mass%时,Mo-12Si-8.5B 合 金 断 裂 韧 性 分 别 达 到 12.66 和12.82 MPa m1/2。Mo-Si-B 合金作为高温合金,提升其高温抗氧化性具备重要意义。Burk 等16-17研究发现,Zr 的添加能够细化 Mo-Si-B 合金的微观组织,缩短合金氧化过程中硼硅玻璃相的形成时间,进而显著降低合金在750 1200 下瞬时氧化阶段的氧化质量损失。Wang 等18-20对添加 ZrB2的 Mo-12Si-8.5B 合金的氧化行为开展了大量的研究,发现 ZrB2的添加可以显著增强合金的抗氧化性。稀土元素 Y 的添加21-22,可
14、以在合金瞬时氧化阶段形成钼酸钇,进而抑制MoO3的形成与挥发,减少瞬时氧化阶段的质量损失,并且 Y 可以降低 O 在玻璃相中的扩散速率,进而提升稳定氧化阶段的抗氧化性。Mo-Si-B 合金中添加Zr、Y 等元素,氧化过程中会生成 ZrO2、Y2O3等产物且改变合金的高温氧化行为,但是直接外加纳米ZrO2颗粒对 Mo-Si-B 合金高温氧化行为影响的研究还少见报道。本课题组之前的研究15,23发现,外加适量纳米ZrO2(Y2O3)颗粒的 Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)复合材料(简称为 MSBZ 复合材料)具备优异的断裂韧性,但是这种 Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)
15、复合材料的高温氧化性能尚未进行深入研究。因此,本文研究了纳米 ZrO2(Y2O3)含量对 Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)复合材料高温氧化性能的影响。1 试验材料与方法 以纯度均为 99.9%的纳米 Mo-ZrO2(Y2O3)粉、微米 Mo 粉、Si 粉 和 B 粉 为 原 材 料,设 计 纳 米ZrO2(Y2O3)质量分数分别为 0%、0.5%、2.5%、5%和10%的 5 种 Mo-12Si-8.5B-ZrO2(Y2O3)复合材料,分别命 名 为 MSBZ0、MSBZ0.5、MSBZ2.5、MSBZ5 和MSBZ10。Y2O3在 纳 米 ZrO2(Y2O3)中 的 含 量 为
16、8 mass%,纳米 Mo-ZrO2(Y2O3)的制备工艺见文献24。采用机械合金化和放电等离子烧结(SPS)方法制备各 MSBZ 复合材料试样,制备过程在文献15已有描述。烧结试样经电火花线切割加工成 10 mm5 mm5 mm 的长方体样品,样品表面经6001200 目砂纸打磨、乙醇超声波清洗 15 min 后再进行相关的高温氧化性能测试和微观组织结构分析。高温氧化性能测试采用恒温循环氧化法,样品装入高纯氧化铝坩埚,在 800、1000 和 1200 下分别进行 1、3、5、10、20、30、40 和 50 h 的恒温氧化试验,当样品表面出现明显的破坏或不能维持其完整性时即判定为氧化失效,不再进行下一时间段的氧化试验。所有 氧 化 试 样 试 验 前 均 采 用 分 析 天 平(精 度0.1 mg)、游标卡尺测量其原始质量以及样品的长、宽、高,以便精确计算氧化样品的质量变化和原始表面积,每次氧化结束后取出冷却至室温,采用分析天平称取其质量,采用单位面积的质量变化(m/s)的氧化动力学曲线来评价该材料的高温氧化性能。利用 D8-Advance 型 X 射线衍射仪(XRD)检测烧结样品