SPS烧结制备TaC基陶瓷及其组织与性能研究

论文摘要

本文以ZrC、Ta、C及TaC为原始粉末,采用放电等离子（SPS）烧结法制备了TaC陶瓷。结合XRD、SEM、TEM等研究手段研究了烧结温度、ZrC含量、C原子计量比对材料致密化、微观组织的影响,并研究了材料的力学性能和抗热震性能随温度、添加剂含量、C原子计量比的变化规律。通过改变烧结温度制备了全致密的TaC块体材料,根据试样的收缩曲线研究了致密化过程。当温度为1300℃-1400℃时,试样开始第一次收缩,1700℃左右试样发生第二次收缩,并开始显著致密化过程,到1800℃时,收缩率不再变化,基本实现全致密化。当温度由1600℃上升至1900℃时,试样的致密度由84.7%上升至95.4%,试样烧结机制主要为固相烧结,扩散机制主要为蒸发-凝固机制。XRD分析结果表明1600℃时试样中存在为ZrC和TaC两相,当温度升至1700℃时,衍射谱中只有TaC的单峰,且随着温度的升高,峰值逐渐向小角度偏移;TEM结果表明1700℃时,ZrC与TaC生成了固溶体;通过SEM和能谱分析,观察到了在固溶体晶粒中存在Zr的浓度梯度,晶粒尺寸随着温度的而长大,由1700℃的2μm增至1900℃的5μm,而少量圆形封闭气孔主要分布在晶粒内部。材料的抗弯强度和断裂韧性随着烧结温度的升高而提高, SEM分析结果表明组织中不均匀分布的C降低了材料的强度。材料的断裂方式主要为穿晶断裂,没有观察到增韧机制。随着ZrC含量的增加,材料的致密度增加,但不明显。XRD结果表明在1900℃下四种ZrC含量的材料均为单一物相,材料的晶粒尺寸随着ZrC含量的增加而长大,但抗弯强度下降,最高抗弯强度和最低抗弯强度分别为653Mpa、421Mpa,高于文献报道数值。材料的断口形貌为典型穿晶断裂,材料断裂韧性变化不大,且没有观察到增韧机制,试样中少量弥散分布浅灰色相为ZrO2研磨球引入ZrO2颗粒。改变C原子计量比制备出含不同物相的材料,通过XRD和SEM分析得到,C含量为0.55时,材料中存在Ta2C和TaCy两相,当C原子数为0.68时,材料中生成了ζ-Ta4C3-x六方相,此相在晶粒中以片状形式存在,长度约为20-30μm,TaC0.55和TaC0.68相均由C原子的扩散形成,这两相的存在能增强材料的抗弯强度。材料的断口形貌和裂纹扩展照片表明该相的存在极大的增加了材料的韧性,其裂纹扩展时存在分叉,偏转等增韧机制。材料在600、800、1000℃不同温差的下热震后的XRD结果表明3种温差下材料的表面都形成了氧化物Ta2O5,材料的残余强度随着温差的上升下降,但温差上升到1000℃时,强度反而有所回升,通过对材料表面形貌和断口形貌的观察发现:600℃和800℃热震后的材料晶粒出现了开裂的现象,且界面之间也存在开裂现象,界面结合力减弱,因此强度下降很明显,1000℃热震后材料的表面存在着较厚的致密氧化层,阻止了材料的进一步氧化,相比较于前两个温差,材料晶粒中开裂较少,因此强度少量回升。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 TaC 的物理化学性质及应用
• 1.2.1 金属钽（Ta）的性质
• 1.2.2 TaC 的性质
• 1.2.3 TaC 的应用领域
• 1.3 制备TaC 陶瓷材料的基本方法
• 1.3.1 热压法
• 1.3.2 热等静压法
• 1.3.3 常压固相烧结法
• 1.3.4 强化烧结法
• 1.3.5 SPS（放电等离子烧结）烧结
• 1.4 TaC 的研究现状
• 1.5 超高温材料
• 1.5.1 难熔金属
• 1.5.2 抗氧化金属间化合物
• 1.5.3 SiC 基复合材料
• 1.5.4 C/C 复合材料
• 1.5.5 超高温陶瓷材料抗氧化研究
• 1.6 本文研究意义及内容
• 1.6.1 研究意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 第2章 材料的制备和实验方法
• 2.1 实验原料
• 2.2 TaC 陶瓷成分选择与制备工艺
• 2.2.1 成分及温度选择
• 2.2.2 化学组成
• 2.2.3 原料混合
• 2.2.4 烧结工艺
• 2.3 性能测试方法
• 2.3.1 体积密度
• 2.3.2 维氏硬度
• 2.3.3 抗弯强度
• 2.3.4 断裂韧性
• 2.3.5 抗热震性
• 2.4 材料微观组织结构分析
• 2.4.1 XRD 分析
• 2.4.2 扫描电镜（SEM）观察
• 2.4.3 透射电镜（TEM）观察
• 第3章 烧结温度TaC 基陶瓷组织及其性能的影响
• 3.1 不同烧结温度对TaC 陶瓷致密化的影响
• 3.1.1 材料的致密化过程
• 3.1.2 不同烧结温度对TaC 陶瓷的物相组成的影响
• 3.1.3 不同烧结温度对TaC 陶瓷组织的影响
• 3.2 不同烧结温度对TaC 陶瓷力学性能的影响
• 3.2.1 不同烧结温度对TaC 陶瓷断口形貌的影响
• 3.2.2 不同烧结温度对TaC 陶瓷力学性能的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 ZrC 含量对TaC 基陶瓷性能的影响
• 4.1 不同ZrC 含量TaC 基陶瓷的物相组成
• 4.2 不同ZrC 含量对TaC 基陶瓷致密化的影响
• 4.3 不同ZrC 含量对TaC 基陶瓷组织的影响
• 4.4 不同ZrC 含量对TaC 基陶瓷力学性能的影响
• 4.4.1 不同ZrC 含量对TaC 基陶瓷维氏硬度的影响
• 4.4.2 不同ZrC 含量对TaC 基陶瓷抗弯强度的影响
• 4.4.3 不同ZrC 含量对TaC 基陶瓷断裂韧性的影响
• 4.5 不同ZrC 含量TaC 基陶瓷抗热震性能
• 4.5.1 不同热震温差下TaC 基陶瓷的物相组成
• 4.5.2 不同热震温差下TaC 基陶瓷的残余抗弯强度
• 4.5.3 不同热震温差下TaC 基陶瓷的表面形貌
• 4.5.4 不同热震温差下TaC 基陶瓷的断口形貌
• 4.6 本章小结
• 第5章 不同Ta/C 比对TaC 基陶瓷性能的影响
• 5.1 不同Ta/C 比对TaC 基陶瓷物相的影响
• 5.2 不同Ta/C 比对TaC 基陶瓷微观组织的影响
• 5.3 不同Ta/C 比对TaC 陶瓷力学性能的影响
• 5.3.1 不同Ta/C 比对TaC 基陶瓷维氏硬度的影响
• 5.3.2 不同Ta/C 比对TaC 基陶瓷抗弯强度的影响
• 5.3.3 不同Ta/C 比对TaC 基陶瓷断裂韧性的影响
• 5.4 不同Ta/C 比TaC 基陶瓷抗热震性能
• 5.4.1 不同热震温差下TaC 基陶瓷的物相组成
• 5.4.2 不同热震温差下TaC 基陶瓷的残余抗弯强度
• 5.4.3 不同热震温差下TaC 基陶瓷的表面形貌
• 5.4.4 不同热震温差下TaC 基陶瓷的断口形貌
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢