新一代超高溫結(jié)構(gòu)材料MoSi2的一個(gè)研發(fā)難點(diǎn)

  MoSi2具有高達(dá)2030°C的高熔點(diǎn)、較低的密度(6.24g/cm3)和優(yōu)異的高溫抗氧化性能以及良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性,故被認(rèn)為是繼Ni基高溫合金(使用溫度<1100°C)以及第二代高溫TiAl合金之后的第三代超高溫結(jié)構(gòu)材料。但是,MoSi2也有一些致命的缺點(diǎn),阻礙了它的實(shí)際應(yīng)用。除了低溫脆性較大(韌脆轉(zhuǎn)變溫度在900~1000°C)、1300°C以上高溫強(qiáng)度不足,尤其是蠕變抗力比較低之外,MoSi2在400~600°C會(huì)出現(xiàn)加速氧化的現(xiàn)象,最終會(huì)由致密體變成粉末,引起材料災(zāi)難性的毀壞。這種低溫氧化現(xiàn)象在學(xué)術(shù)界被稱作Pest現(xiàn)象,是該材料作為實(shí)用的高溫結(jié)構(gòu)材料的一個(gè)研發(fā)難點(diǎn)。

  目前關(guān)于MoSi2的Pest現(xiàn)象機(jī)理的研究認(rèn)為:Mo氧化物的揮發(fā)導(dǎo)致SiO2膜不連續(xù)和不致密;樣品本身不夠致密或者存在裂紋,使得氧原子能夠快速進(jìn)入材料內(nèi)部;雜質(zhì)元素O,N在晶界優(yōu)先擴(kuò)散等,這些因素導(dǎo)致材料快速氧化?;谏鲜龇治?,目前對(duì)于克服MoSi2的Pest問題的研究思路,主要有以下幾種:提高M(jìn)oSi2的純度;提高材料的致密度;添加相對(duì)于Si與O有更強(qiáng)親和力的元素,降低內(nèi)部氧化造成的體積膨脹,從而抑制Pest效應(yīng);采用高溫預(yù)氧化形成致密的SiO2膜,在材料表面形成玻璃保護(hù)層,降低氧化速率,等等。

  試驗(yàn)表明,采用放電等離子燒結(jié)方法將Mo粉與Si粉混合物原位合成制備成高致密的MoSi2,其致密度高于將MoSi2粉末直接燒結(jié)制備而成的MoSi2,結(jié)果,前者在Pest現(xiàn)象溫度區(qū)表現(xiàn)出明顯優(yōu)于后者的抗氧化性,這說(shuō)明材料的致密度對(duì)于其抗氧化性能有重要影響。另外,用原位合成工藝,可以制備SiC顆粒增強(qiáng)的MoSi2基復(fù)合材料,該復(fù)合材料致密度高達(dá)99.5%以上,界面為直接的原子結(jié)合,無(wú)非晶層存在。由于該材料的高致密度,孔隙率低,無(wú)裂紋,極大地降低了O通過(guò)這些缺陷進(jìn)入材料內(nèi)部的擴(kuò)散速率,使粉化形核和生長(zhǎng)速度明顯減慢,有效地減緩了氧化。該材料在500°C下經(jīng)過(guò)1000小時(shí)氧化后,仍未發(fā)生Pest現(xiàn)象。這種SiC顆粒增強(qiáng)的MoSi2基復(fù)合材料,不僅抗氧化性能好,而且其斷裂韌性也比單一MoSi2提高了25%~46%;1000~1400°C下的壓縮流變應(yīng)力明顯高于單一MoSi2;1200~1400°C下的壓縮蠕變性能也明顯提高。

  另?yè)?jù)報(bào)道,用機(jī)械合金化制備含La2O3的Mo-Si粉末,并進(jìn)行燒結(jié),制成La2O3增韌的MoSi2復(fù)合材料。該材料未發(fā)生Pest現(xiàn)象,其原因在于表面形成了致密的SiO2保護(hù)膜。用Al合金化的MoSi2,在400°C、600°C、700°C下都有很好的抗氧化性能,質(zhì)量變化較少,其原因就在于材料表面形成了連續(xù)的3Al3O2.2SiO2保護(hù)膜;但它在500°C氧化過(guò)程中,卻發(fā)生了Pest現(xiàn)象,原因在于此時(shí)大量生成揮發(fā)性MoO3相,破壞了3Al3O2.2SiO2保護(hù)膜的形成;而由Al和Nb共同合金化的MoSi2,在500°C下氧化50小時(shí)后,材料中MoO3和Mo9O26含量變化不大,并出現(xiàn)了Al2O3,其抗氧化性得到了提高。