新一代超高温结构材料mosi2的一个研发难点 | 法钢特种钢材(上海)有限公司-凯发体育官网

  mosi2具有高达2030°c的高熔点、较低的密度(6.24g/cm3)和优异的高温抗氧化性能以及良好的导热性和导电性,故被认为是继ni基高温合金(使用温度<1100°c)以及第二代高温tial合金之后的第三代超高温结构材料。但是,mosi2也有一些致命的缺点,阻碍了它的实际应用。除了低温脆性较大(韧脆转变温度在900~1000°c)、1300°c以上高温强度不足,尤其是蠕变抗力比较低之外,mosi2在400~600°c会出现加速氧化的现象,最终会由致密体变成粉末,引起材料灾难性的毁坏。这种低温氧化现象在学术界被称作pest现象,是该材料作为实用的高温结构材料的一个研发难点。

  目前关于mosi2的pest现象机理的研究认为:mo氧化物的挥发导致sio2膜不连续和不致密;样品本身不够致密或者存在裂纹,使得氧原子能够快速进入材料内部;杂质元素o,n在晶界优先扩散等,这些因素导致材料快速氧化。基于上述分析,目前对于克服mosi2的pest问题的研究思路,主要有以下几种:提高mosi2的纯度;提高材料的致密度;添加相对于si与o有更强亲和力的元素,降低内部氧化造成的体积膨胀,从而抑制pest效应;采用高温预氧化形成致密的sio2膜,在材料表面形成玻璃保护层,降低氧化速率,等等。

  试验表明,采用放电等离子烧结方法将mo粉与si粉混合物原位合成制备成高致密的mosi2,其致密度高于将mosi2粉末直接烧结制备而成的mosi2,结果,前者在pest现象温度区表现出明显优于后者的抗氧化性,这说明材料的致密度对于其抗氧化性能有重要影响。另外,用原位合成工艺,可以制备sic颗粒增强的mosi2基复合材料,该复合材料致密度高达99.5%以上,界面为直接的原子结合,无非晶层存在。由于该材料的高致密度,孔隙率低,无裂纹,极大地降低了o通过这些缺陷进入材料内部的扩散速率,使粉化形核和生长速度明显减慢,有效地减缓了氧化。该材料在500°c下经过1000小时氧化后,仍未发生pest现象。这种sic颗粒增强的mosi2基复合材料,不仅抗氧化性能好,而且其断裂韧性也比单一mosi2提高了25%~46%;1000~1400°c下的压缩流变应力明显高于单一mosi2;1200~1400°c下的压缩蠕变性能也明显提高。

  另据报道,用机械合金化制备含la2o3的mo-si粉末,并进行烧结,制成la2o3增韧的mosi2复合材料。该材料未发生pest现象,其原因在于表面形成了致密的sio2保护膜。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,质量变化较少,其原因就在于材料表面形成了连续的3al3o2.2sio2保护膜;但它在500°c氧化过程中,却发生了pest现象,原因在于此时大量生成挥发性moo3相,破坏了3al3o2.2sio2保护膜的形成;而由al和nb共同合金化的mosi2,在500°c下氧化50小时后,材料中moo3和mo9o26含量变化不大,并出现了al2o3,其抗氧化性得到了提高。