張 曄,陳偉衡,王婭輝,王 寧,張衛(wèi)剛
(西安優(yōu)耐特容器制造有限公司,陜西 西安 710201)
在現(xiàn)代工業(yè)中,高溫過程越來越普遍,對設(shè)備的使用溫度提出了更高的要求。目前,新一代的高溫結(jié)構(gòu)材料的使用溫度高達(dá) 1600 ℃,且必須滿足很好的抗氧化性能、力學(xué)性能和組織穩(wěn)定性能等方面的要求。Mo-Si系金屬硅化物以其高的熔點(diǎn)和優(yōu)異的高溫抗氧化性而成為學(xué)者研究高溫結(jié)構(gòu)材料的熱點(diǎn)[1-3]。
鉬是一種典型的難熔金屬,具有熔點(diǎn)高、彈性模量高、良好的塑性和韌性、高溫強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn),是改善金屬硅化物室溫韌性和高溫強(qiáng)度的理想選擇之一。純鉬的脆韌轉(zhuǎn)變溫度為-20 ℃,說明其在室溫狀態(tài)下具有很好的塑性和韌性,在高應(yīng)力狀態(tài)下能夠順利地進(jìn)行塑性變形,表現(xiàn)出一定的韌性,因此彌補(bǔ)了金屬硅化物存在比較嚴(yán)重的室溫脆性和較低的斷裂強(qiáng)度[4-6]。此外,難熔金屬具有比較好的強(qiáng)韌性配合,因此用難熔金屬來增韌金屬間化合物,可以有效改善材料的力學(xué)性能。本文基于前期的研究基礎(chǔ),將機(jī)械合金化工藝結(jié)合熱處理工藝制備出的Mo3Si金屬間化合物粉末裝入到石墨模具中,通過熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材,并進(jìn)一步研究其物相組成、顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能。
圖1為熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材的工藝流程圖,經(jīng)過前期的研究,將機(jī)械合金化球磨 60 h 和 800 ℃ 熱處理得到的Mo3Si金屬間化合物粉末放置到石墨模具中,然后將石墨模具放置到熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)。熱壓燒結(jié)工藝的燒結(jié)溫度為 1100 ℃,熱壓壓力為 35 MPa,保溫時(shí)間為 2 h,整個(gè)過程在真空狀態(tài)下進(jìn)行。圖2為熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材的工藝過程的示意圖。
圖1 熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材的工藝流程圖
圖2 熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材的工藝過程圖
采用X-射線衍射儀(XRD-6000型)來測定熱壓燒結(jié)工藝制備的Mo3Si金屬間化合物塊材的物相組成,使用JSM-6390A型掃描電鏡來觀察和分析其顯微結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)采用洛氏硬度儀來測試制備塊材的洛氏硬度,測5組并取其平均值作為洛氏硬度值。此外,進(jìn)一步測量了其密度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性及彈性模量,具體如下:
1)相對密度:采用Archimedes排水法測定。在空氣中稱量出試樣的質(zhì)量m,然后在去離子水中煮沸 2 h,使水完全充滿開口氣孔,冷卻后測定試樣在水中的懸浮質(zhì)量mwater和空氣中的濕重mwet,試樣的體積密度ρ和顯氣孔率P分別由式(1)和(2)得出,相對密度是體積密度與顯氣孔率的比值。
(1)
(2)
(3)
2)抗彎強(qiáng)度(σf):選取尺寸為 3 mm×4 mm×30 mm 的試樣,表面經(jīng)過打磨處理,研磨拋光,并倒角,采用三點(diǎn)彎曲法在INSTRON1195型電子力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行塊材抗彎強(qiáng)度的測試,加載速率為 0.5 mm/min,跨距為 16 mm。由下式求得試樣的抗彎強(qiáng)度:
(4)
其中,σf為抗彎強(qiáng)度,P為加載載荷,L為跨距,b為試樣寬度,h為試樣的高度。
3)斷裂韌性(KIC):塊材的斷裂韌性采用單邊缺口梁法(SENB)進(jìn)行測試,試樣尺寸為 3 mm×4 mm×30 mm,缺口深度為 1.5 mm,寬度為 0.2 mm,試樣加載速率為 0.05 mm/min。計(jì)算公式如下式所示:
(5)
其中,KIC為斷裂韌性,Y為缺口形狀因子,P為加載載荷,L為跨距,a為缺口深度,b為試樣的寬度,W為試樣的高度。缺口的形狀因子Y可以由下式來表示:
(6)
其中,W為試樣的高度,a為缺口深度。
4)彈性模量(E):在常溫下采用三點(diǎn)彎曲法,測定塊材應(yīng)力-應(yīng)變曲線的直線部分,即可求出其彈性模量。本研究采用載荷-撓度曲線,可用(7)進(jìn)行彈性模量E的計(jì)算:
(7)
其中,E為彈性模量,P為載荷,f為撓度,l為跨距,b為試樣寬度,h為試樣高度??缇酁?16 mm,壓頭的加載速率為 0.5 mm/min。
圖3為經(jīng)過熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材的XRD圖譜,由圖可以看出,在XRD圖譜中只存在著Mo3Si金屬間化合物相的衍射峰,其中2θ=41.18o為最強(qiáng)衍射峰。Mo-Si固溶體在由高溫向低溫冷卻過程中,高溫?zé)o序態(tài)在隨后的冷卻過程中將發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變,這是由于B2結(jié)構(gòu)具有較快的有序化速度,既使淬火快冷也不能抑制bcc向B2有序轉(zhuǎn)變,這表明隨爐冷卻得到的Mo3Si合金塊材主要以有序度很低的B2結(jié)構(gòu)為主,因此形成的Mo3Si合金塊材主要以B2結(jié)構(gòu)為主。
圖3 熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材的XRD圖譜
圖4為熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si塊材的掃描電鏡照片。由圖可以看出,制備出的Mo3Si塊材表面顯微結(jié)構(gòu)均勻致密,基體晶粒細(xì)小,平均顆粒尺寸約為5~8 μm。而且在熱壓燒結(jié)塊材中幾乎沒有氣孔和缺陷,說明本實(shí)驗(yàn)采用的熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)是合適的,能夠得到致密度約為95%的熱壓燒結(jié)塊材。由于制備的Mo3Si金屬間化合物具有致密的顯微結(jié)構(gòu),所以通過熱壓燒結(jié)工藝得到的Mo3Si金屬間化合物塊材具有較高的力學(xué)性能。
圖4 熱壓燒結(jié)工藝制備的Mo3Si金屬間化合物塊材的掃描電鏡照片
圖5為Mo3Si金屬間化合物試樣斷口表面的能譜分析圖譜,由圖可得,在能譜分析圖譜中只有Mo元素和Si元素,而沒有其他的雜質(zhì)元素,并且熱壓燒結(jié)工藝制備出了Mo3Si金屬間化合物塊材具有均勻致密的顯微結(jié)構(gòu),所以本實(shí)驗(yàn)采用熱壓燒結(jié)工藝制備出Mo3Si金屬間化合物塊材。
圖5 熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材斷口表面的能譜分析圖譜
對熱壓燒結(jié)后得到的Mo3Si金屬間化合物塊材的力學(xué)性能進(jìn)行測試,表1為熱壓燒結(jié)工藝制備的Mo3Si金屬間化合物塊材的力學(xué)性能。據(jù)文獻(xiàn)資料的報(bào)道,Mo3Si金屬間化合物塊材的理論密度為 8.97 g/cm3,經(jīng)過計(jì)算,實(shí)驗(yàn)得到的Mo3Si塊材密度為 8.52 g/cm3,非常接近其理論密度。Mo3Si金屬間化合物塊材具有較高的抗彎強(qiáng)度和較高的斷裂韌性,分別為 738 MPa 和 21.85 MPa·m1/2,以及具有較高的彈性模量和硬度。
表1 熱壓燒結(jié)工藝制備的Mo3Si金屬間化合物塊材的力學(xué)性能
在熱壓燒結(jié)過程中,Mo3Si金屬間化合物粉末在較高壓力的作用下被壓實(shí)致密化,隨著燒結(jié)溫度和壓力的升高,Mo3Si金屬間化合物顆粒被壓制在一起,坯體的體積逐漸收縮,致密度提高。當(dāng)達(dá)到較高的燒結(jié)溫度和壓力后,粉末顆粒在高溫高壓的作用下被燒結(jié)到一起,粉末顆粒之間發(fā)生熔合,Mo3Si金屬間化合物粉末被燒結(jié)到一起形成致密的燒結(jié)塊材。隨著保溫時(shí)間的增加,塊材的致密度顯著提高,而后隨時(shí)間的進(jìn)一步增加,粉末顆粒之間靠擴(kuò)散來進(jìn)行熔合,所得的塊材晶粒細(xì)小,成分均勻,具有較高的力學(xué)性能。
本文基于之前的研究成果,采用熱壓燒結(jié)工藝制備出Mo3Si金屬間化合物塊材,并研究了熱壓燒結(jié)制備Mo3Si金屬間化合物塊材的制備條件、物相組成、顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能,并對其燒結(jié)機(jī)理進(jìn)行分析。優(yōu)化的熱壓燒結(jié)工藝條件為:熱壓燒結(jié)溫度為 1100 ℃,熱壓壓力為 35 MPa,保溫時(shí)間為 2 h。XRD圖譜表明熱壓燒結(jié)塊材主要是由Mo3Si金屬間化合物相所組成,熱壓燒結(jié)工藝制備的Mo3Si金屬間化合物塊材的顯微結(jié)構(gòu)均勻致密,具有較高的致密度和較高的力學(xué)性能。熱壓燒結(jié)工藝制備的Mo3Si金屬間化合物塊材具有較高的力學(xué)性能主要是由于Mo3Si金屬間化合物塊材具有均勻致密的顯微結(jié)構(gòu)。