超高温陶瓷材料的研究
第3卷第1期热喷涂技术
II
V01.3,No.1
垫!!笙i旦坠!塑,型!q£里P塑c塑∞logyWIII坚兰:兰Q!!■■■■■_■■■■_●■●■●■■■●_■■■■■●●●__●■■■●■■■●■■●■●■■■■■■●■●●■■■●■■■●_■_■■■■■■_■■■■■_————●_■t●■-●■■-E■自■■■一
超高温陶瓷材料的研究
于军,章德铭,杨永琦,刘建明,任先京
(北京矿冶研究总院,北京100044)
摘要:由于在极端环境中具有优异的物理化学性能,超高温陶瓷成为未来高超声速飞行和可重复使用运载飞船领域最具前途的候选材料之一。本文评述了超高温陶瓷材料包括材料体系、粉体合成、烧结和涂层的研究现状,提炼出尚未解决的部分问题,提出超高温陶瓷基涂层材料是其发展趋势之一。关键词:
超高温陶瓷;硼化物;碳化物;涂层
文献标识码:A
文章编号:1674.7127(2011)01-0029-05
中图分类号:TGl74.442
Research
on
Ultra-highTemperatureCeramics
YUJun,ZHANGDe-ruing,YANGYong—qi,LIUJian-ruing,RENXian-jing
(BeijingGeneralResearchInstituteofMining&Metallurgy,Beijing100044,China)
Abstract:Ultra-hightemperature
ceramics(UHTCs)have
become
one
ofthepotentialstrategicmaterialsinthe
fieldsoffuturehypersonicflightsandreusablelaunchvehiclesduetotheirexcellentphysicalandchemicalpropertiesintheextremeenvironments.ThepaperreviewsnewdevelopmentsoftechniquesforUHTCs.includematerialssystem,
synthesisofpowders,sintering
andcoatings.Theproblemsinthematerialresearchofthetrendswaspointedout.
and
applicationswerepreliminarilysummarizedandcoatingsofUHTCsis
olle
Keywords:Ultra-hightemperature
ceramics;Boride;Carbide;Coatings
超高温陶瓷是指能在1800℃以上应用,具有相当优良的高温抗氧化性和抗热震性的陶瓷基复合材料【l】。超高温陶瓷能够适应超高音速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境,可用于飞行器鼻锥、机翼前缘、发动机热端等各种关键部位或部件【14J。作为航空航天飞行器上的关键材料,超高温陶瓷将帮助我们不断突破速度和空间上的极限。
硼化物、碳化物超高温陶瓷熔点都超过3000℃,无相变,具有优良的热化学稳定性和优异的物理性能,包括高弹性模量、高硬度、低饱和蒸汽压、高热导率和电导率、适中的热膨胀率和良好抗热震性能等,并能在高温下保持很高的强度。成为超高温陶瓷最具潜力的候选材料。目前使用的超高温材料还有难熔金属、C/C复合材料和SiC基复合材料,如C.SiC和SiC.SiCt舡141。C/C复合材料的高温性能优异,但抗氧化性差;而SiC基复合材料的使用温度只能达到1600℃。
国外超高温陶瓷材料的研究从1960’S年代开始。当时在美国空军的支持下,Manlab开始了超高温陶瓷材料的研究,研究对象主要是ZrB2和HfB2
1超高温陶瓷材料体系的研究
在高熔点化合物中,碳化物的熔点最高,其次是硼化物。超高温陶瓷主要是由高熔点硼化物和碳化物组成,其中HfB2、ZrB2、HfC、ZrC、TaC等
作者简介:于军(1979一),男,山东烟台人,工程师.Emaihjunyu200S@yahoo.com舶
万方数据
*《镕&术
技“复台柑料。研埕的80v01%HtB2.20vo]%SiC复台村抖能基丰满足“温轭化环】竞1-14+续性川的錾p{采用的热址工艺埘部件制蔷订很大的m制0;剑
1990
s,NASAAmes譬聃窜也Jr始r柑*日}兜;‘j
此同时.美Ⅲ宁’从1960’s{F代7r始进行尖锐前缘E{J器搜具热防护系统的舒"i和垃‘1_纤过二l多年的研究.取褂』’搬^进聪。Ames蜜验室韭兑合作伙伴开展了系统热分析,材科州笸和咆弧加热器测酞等系州州究I作.阼r1990’s5f化进”,两
敞t行实骑【SHA肿.BI、SHARP.B2)。其‘}|,
SHARP—B2的尖锐翼前缝撤掘热王}=境的1q,si分为=部分.丹刺聚川的魁Zr82/SiC/C、ZrBJSiC和HIB:/SiC村抖,胜“r毕I:.硼化锖和.硼化铺为主体的类超高温陶瓷村科作为人’t层-It高超声谜飞}r器热防护系垃材料∞应用Im撩.2003年2月I}|.美凼航天E机发生r“卅伦比亚”号的爆炸悔剧.为了侃障朱来的航天E机儿有史--J啦的b行安牵作,艾团航凡宇航埘(NASA)^・“坩伦比皿”弓必珥后迅速脯动丁柏关的研究¨划,其中就包括研究新代超高温陶瓷.用r札天EYL的咐热材料。研究Ll划H的冉r"发出彘;点斯j二3000"C的超高淞陶瓷材科,主噩足ZrB2、HfB2以及‘∈;IPJ的复台材料.作为航犬飞机的新肇阻热材料,
目I
≈№&”q‰X1n^W目【《^ihJlt*"车|l:m№
∞《#
FillI
Tkl曲wing
matcfialsforihcmaI…I…c№h
ofshuRlcCol“mbiaonthesurra£cof
¨硼化物尚瓷基复合材料
研究表明ZrB2和Nf8i牲陶瓷复合材料的脆性和室出愠瞳低可咀通吐☆胖进扦吼村科的组分.
纯艘和颗粒崖来克服.它们的共价键很强帕特性决
宦r它们徽难烧结取l敦密化“】。为,改善j£烧结性
万方数据
提商敢督度,u,面廿提岛反应物的袅I^1能、提扁材
科的体扩敞每,延迟材抖的燕址、^Ⅱ快物质的传输
进#、促进颗粒的一E件幢提出忙质动力学求解决。
巾柑ZrB2业H憎!在I200℃以下具有良好的抗氧化忡,这址Ilfj。澉卷B20,玻删相的生成,起到丁良
奸竹机钮化侏护fl++ll”…。n:I200<c以h.1i},B20j快速蕉发,从埘降虹r它作为--+q,#l敞障碍的散川rZrB2或HfEi2将会发十挟违艇化。加^SiC町以硅兽挝一岛它的抗毓化性能,硅高温时彤成玻璃相的硅酸盐米覆盖材#}的表瑶,庄1600'0以下儿有良好的保护作用”“。
ZrB
2-SiC材料』l前很舟的强度(超过1000MPa)
和抗氧化性,这种材料可在不到30s山从宣温上升剑2200℃而不被破坏.表现}l{良好的抗热震性9j。
NASA
Ames实骑审迁专f】做r增强C/C挺☆
材科‘j零烧蚀超高温陶瓷材料(ZrB2+20%¥iC)的对比烧蚀试啦。站果表例,d相同情况下.趣高温陶瓷烧蚀节为001g.增强C/C复合村抖烧蚀量13lg-州者树芹I31倍.显小r超高温陶瓷材料的优越性。NASAn研究ZrBdSiC和IIfB!/SIC材料的丛础h.卫系统研究了ZrBz/ZrC/SiC二M复台陶瓷,SiC的体积比为t6%.Ⅱ保持小变,嘣zr如’IZrC分别存20%~64%之州变化。结聚表圳,2兀脚径的练音性能耍比以前的ZrB2/SiC和Hm2/SiC性能优异,材料蛙好的配靠是ZrB2/ZrCtSiC。组兀的体机比为64:20:16。nj言些艇☆陶瓷巾,懈硼化物和含钴陶瓷柏性睦较酊,配方为64HfB2/20H把/16SIC的性能蛙好,是E行器鼻锥、*【翼前缘,发动机m}端等各种冀键部位或部件照有时途的超高}盐候选材料。枉电讴加热器洲试中.ZrB2-SiC材料在现出良好的抗氧化性和热冲击性能。在温度达到】800'C井保持300s后,材料表面仪形成了
壕*常博H琏续的毓化层t“。NASA
Glen研究中心也研制出rZrBz-SiC复台陶瓷.用
作锥前绿材料.ur多被性用.垃尚使用温度町选
2015
9℃-商出他用时所产生的最高温度1990℃(速
度为10屿赫)。GaschM等人研究r通过热压获得的HIB2—20%SIC(体积九升含城,F同)超高温陶瓷烧蚀性能,采用丁曲、低两种,fq,iI热流.持续时Iq部星lOmin。在低热流F.SiC的惰性氧化对村科衷向稳忐起r非常暇耍的作用,采嘶温度维持拒1700℃芷打对于高热洫,材料的柱血温度显著提商,在300s后逃到一种稳态,温度逃到2400"C,
1期
于军,等:超高温陶瓷材料的研究究
・31
・
温度的提高归因于表面形成一层厚的Hf02多孔层,它改变了表面的催化特性、辐射率和热导率。温度进一步升高受阻是由于材料中SiC发生持续、活性氧化,这能从试验后的材料存在耗尽SiC的区域得到证实【7】o
对于Hf和Zr的硼化物或碳化物,在高温下主要依靠Zr02和HID2提供抗氧化保护。但Zr02和HID2在较低的氧分压下,会有不按化学计量形成的氧化物,从而使其存在大量的氧点阵空位,使得氧在Zr02和Hf02中迅速传输。高价阳离子能够降低氧点阵的空位浓度,所以必须要寻找一种化合价较高的阳离子,这种阳离子还必须来自一种难熔相,同时它对应的氧化物也必须是难熔的。最好的候选物是Ta【8J。Talmy研究了将20%TAB2加入到ZrB2.20%SiC的情况一J。结果表明,TaB2的加入大大提高了其抗氧化性,在1627℃的空气中经过10个10min的循环,表面没有发生严重的氧化,而是形成一层致密的氧化膜。通过添加阳离子磁场强度高z/r2(其中Z是化合价,r是离子半径)的过渡族元素或化合物(如Cr+4、Ti+4、Nb+5、V+4和Ta+5等),可进一步提高ZrB2.SiC或HfB2.SiC陶瓷的抗氧化性。这种改性的硼化物陶瓷氧化后,会在硼硅酸盐表面形成相应的氧化物,含有Ⅳ.VI族过渡金属的硼酸盐或硅酸盐有利于玻璃相的分离。材料体系中的玻璃相不混溶会显著提高液相线温度并增加其粘稠度。根据Stokes.Einstein关系可知,扩散率与粘稠度成反比,粘稠度的提高会降低通过氧化层中的氧扩散率。提高液相线温度和粘稠度的另一个好处是抑制氧化硼的挥发,同时也提高了材料的使用温度。氧化物不混溶性增强的能力随着金属元素的阳离子磁场强度的提高而提高【l叭。由于Ti、Nb、Ta、Mo、Cr和V的阳离子磁场场强比Zr高,所以这些元素促进了ZrB2一SiC陶瓷表面形成的硼硅酸盐的相分离,提高了材料的抗氧化性能。研究了在ZrB2.SiC陶瓷分别添加0.1摩尔分数CrB2、NbB2、TaB2、TiB2和vB2在1300℃的氧化情况,
在氧化过程中质量增加最低的是含有TaB2的陶瓷,
这种材料氧化层的厚度不到ZrB2.SiC陶瓷基准材料的一半【7】。到目前为止,对于这些过渡元素以何种形式加入到材料中,为何对材料的抗氧化性能的提高最显著还未曾研究,对这些元素的最佳加入量也不清楚,这是今后亟待解决的主要问题。1.2碳化物陶瓷基复合材料
万方数据
碳化铪(HfC)、碳化锆(Z正)和碳化钽(TaC)的熔点比它们的硼化物高,不经历任何固相相变,具有较好的抗热震性,在高温下仍具有高强度[2】。这类碳化物陶瓷的断裂韧性和抗氧化性非常低,为了克服陶瓷的脆性,通常采用纤维来增强增韧。2000年,NASA对由不同公司生产的可能用于Hyper2X计划的X243A(7马赫)鼻锥和前缘的13种材料体系进行了电弧加热器烧蚀测试。结果表明,RCI公司生产的炭纤维增强H佗基复合材料效果最好,它完成所有的10minl0次循环,3次循环质量损失1.30%,5次循环质量损失3.28%,10次循环质量损失10.33%;完成了lh的持续加热,质量损失1.12%t¨J。
难熔碳化物的氧化过程是氧气向内扩散或金属离子向外扩散,以及气态或液态的(在相对低温下)副产品通过氧化物层向外逸散的综合过程。碳化物的抗氧化性主要受氧化过程中气态副产品的形成与逸散的影响,如CO和C02。研究结果显示,HfC、ZrC和TaC可轻易地将大量氧气吸收进晶格中,在高温下形成的氧化区至少包括2层;一个是含极少空隙的内部氧化层,另一个为多孔的外部氧化层【121。
Bargeron等人指出,在氧化的HfC膜中,外部多孔H幻2层与晶格中含有未溶氧气的残余碳化物之间存在一层氧化物夹层[(HID2)xCY】,比HID2层或碳化物层具有更好的抗氧气扩散能力,并提出了各种描述难熔碳化物和硼化物的扩散模型【l31。Holcomb提出了用一种逆流气态扩散模型来描述HfC的氧化行为,Bargeron等人在移动边晃扩散的理论基础上提出了HfC的氧化模型【14‘151。为了改善难熔碳化物的抗氧化能力,Courtright等人研究了648.89--一1311.1l℃范围内HfC.TaC和HfC—PrC2复合材料的高温抗氧化能力【l6|,通过加入添加剂的方式改善材料性能。
H佗和HfC.TaC所形成的氧化层在整个温度区间内都遵循抛物线型生长动力学,但在1600℃时动力学曲线有一间断。在较低的温度下氧化速率由气体通过氧化层中的孔隙扩散控制,而在高于1800℃时氧化速率主要由氧的体积扩散和离子在氧化层中的迁移速率控制。另外,加入碳化镨(P酊2)可与HID2生成稳定的焦绿石结构(HfzPr207),焦绿石离子迁移率比萤石相低一个数量级,其熔点高于2300。C,它比纯HID2层提供更好的氧化保护。HfC
・32・
热喷涂技术3卷
的氧化物产品中无焦绿石结构,所以材料就以越来越高的速率氧化,其原因在于空位比例的增加以及不能生成保护性的氧化物层。因此,需要深入研究添加元素或化合物对难熔碳化物的高温烧结性和氧化行为的影响。
2超高温陶瓷粉体的合成
原料纯度和粒度对超高温陶瓷材料的烧结性能和高温性能有十分重要的影响。在制备过程中残留的杂质或工艺过程加入的添加剂,能与超高温陶瓷化合物形成低熔点产物,在很大程度上会对高温性能产生不利影响。超细的陶瓷粉体可以提高其烧结性能。因此,发展高纯、超细的超高温陶瓷粉体合成技术,是制备高性能超高温陶瓷材料的基础。
在美国,AFOSR支持进行了碳化锆和碳化铪的碳热还原合成,在1500℃以下成功合成了粒径在50"130纳米的粉体。在我国,中国科学技术大学采用化学反应合成法在600℃成功合成了粒径为25纳米的硼化铪粉体,国防科技大学开展了硼化铪粉体的低温合成研究。
用Zr02,H3803和Mg为原料可以燃烧合成ZrB2。计算绝热温度为1965K。合成产物的晶粒尺寸在十几SU-十几纳米左右Il9|。
3超高温陶瓷的烧结致密化
用Hf、Si和B4C摩尔比2.2:0.8:1在1900℃反应热压制备HfB2一SiC.HfC陶瓷,HfB2平均粒径为3pm,含6v01%HfC和22v01%SiC,其平均粒径为lpm。25℃和1500"C抗弯强度分别为770±35MPa和315±10MPa,显微硬度19GPa,杨氏模量520GPa。经1450℃,60分钟反应热压,反应物全部转化为最终产物。经1700℃和1450℃,20小时抗氧化试验,显示了很好的抗氧化性能【201。反应热压可制备ZrB2.SiC陶瓷材料【2¨。
北京科技大学发明了超高压力通电烧结技术,压力高,烧结时间短,使材料在烧结后原有的颗粒尺度几乎不长大,解决了纳米粉体烧结时晶粒迅速长大的问题,以此法成功制备了W/Cu,SiC/Cu和B4C/Cu等三种不同材料体系的功能梯度材料【221。
放电等离子体烧结技术是使可烧结性差的材料(例如ZrB2,ZrC等)致密化的最有力手段之一。它比其它大多数传统烧结方法用的烧结温度低、时间短【231。
万方数据
4超高温陶瓷涂层
ZrB2添加C和TiC后,微观形貌中出现了片状和柱状的组织,这些微结构会对材料的性能产生影响[24】。超高温陶瓷的使用要求表面抗氧化性能和抗热震性能好,为了提高其综合性能,材料表面和基体的组成可以是不同的。采用表面技术研究超高温陶瓷,目的是使材料表面具有更好的高温抗氧化性能。H瓮高温氧化时能产生Hf02保护层,但其易开裂抗热循环性较差;SiC最高使用温度是1650℃,温度再高Si02保护层会失效。微观层状的HfC/SiC涂层能使用到2480℃,并有很好的抗热循环性【2引。
5结束语
超高温陶瓷基复合材料由于具有潜在的高温综合性能优异的特点,是未来超高温领域很有前途的材料,对其开展包括材料体系、粉体合成、及涂层有关的基础科学研究和科学技术研究,具有重要的科学意义和应用价值。
参考文献
【1】
BronsonA,MaYT,MutsoRR,eta1.Compatibilityofrefractorymetalboride/oxidecomposites
at
ultralligh
temperatures[J].ElectrochemSociety,1992,39(11):
3183—3196.
【2】
韩杰才,胡平,张幸红,等.超高温材料的研究进展叨.固体火箭技术,2005,28(4):289.294.
[3】TrippWC,DafisHH,GrahamHC.EffectofaSiC
addition
on
theoxidation
ofZrB2[J].CeramBull,1973,
52(8):612.616.
【4】LevineSR,OpilaEJ,HalbigMC,eta1.Evaluationof
ultra-hightemperatureceramicsforaeropropulsionuse[J].
EuropeCeramSociety,2002,22(14/15):2757-2767.【5】
Opeka
MM,TalmyIG,ZaykoJA.Oxidation-based
materialsselectionfor2000oC+hypersonicaerosurfaces,
Theoreticalconsiderations
andhistorical
experience[J].
MaterialScience,2004,39(19):5887.5904.
【6】RonLoehman,Daletemperature
cccamicsfor
h脚nic
Zschiesche.tatra-high
vehicleapp
lications[R].Ronald
E.Loehman,Sandia
National
Laboratories,Ceramic
MaterialsDept.Albuquerque,N.Mex.
【7】GasehM,EllerbyD,IrbyE,eta1.Processing,properties
and
arc
jetoxidationofhafniumdiboride/siliconcarbide
ultra-high
temperatureceramics[J].JournalofMaterials
1期
Science,2004,39(19):5925.5937.
于军,等:超高温陶瓷材料的研究究
hot-pressed
to
・
33
・
diboride
matrixcompositesfor
usesat
Is]LevineSR,OpilaEJ.Tantalumadditionzirconium
ultra-high
temperatures[Y].CorrosionScience,2005,47
diborideforimprovedoxidationresistance[R].NASA厂rM,2003,212483.
(8);202m_2033.
U研ChangYA,ChenS,ZhangF,eta1.Phasediagram
【9】TalmyIG.Hightemperaturecorrosionandmaterialschemistry
calculation:past,presentandfuture[J].ProgressinMaterialsScience,2004,49(3/4):
313-345.
a1.
III叨.ElectrochemSociety,2001,12:144-149.
structttralmodel
of
【10]
VarshalBG.Asilicate
immiscibilitvof
n卵
Khanra.A.K,Pathak.L.C,Self-propagatingultrafineZrB2
Mishra.S.K,et
glass-forming
melts阴.GlassPhy’sicalChem,
high—temperature
synthesis(SHS)of
1993,19:218.225.
Powder[J].MaterialScienceLetters,2003,
【11】OhlhorstCW,VaughnW
hi曲temperature
composite
coatings
edge
L.Arcjetresultson
candidate
22(17):1189.1191.
forNASA’GLTrefractory
口∞FreddricMonteverde.Progress
inthefabricationof
leadingtask[R].NASA/Langley
ultra-high-temperatureceramics:“insitu”synthesis,microstructureandpropertiesof
a
ResearchCenter.
reactivehot-pressed
Science
【12】Bargeron
CB,BensonRC,NewmanR
W.Oxidation
HfB2-SiC
composite[f1.Composites
and
mechanismsofhafltiUlncarbideandhafniumdiborideinthetemperaturerange1400APLTechnical
to
Technology,2005,65(11/12):1869-1879.
暖UZhangGJ,DengZY,KondoN,etal.ReactiveHot
Pressing
of
ZrB2-SiC
2loo℃川.Johns
Hopkins
Digest(AppliedPhysicsLaboratory),Composites[J].
Am.Ceram.
1993,14(1):29.36.
Society,2000,83(9):2330。2332.
a
【13】Bargcron
C
B,BensonRC.X-rayrnieroanalysisof
at
【22】凌云汉,周张键,李江涛,等.超高压梯度烧结法制备
W/Cu功能梯度材料【J】.中国有色金属学报,2001,11
(4):576.581.
hafniumcarbidefilmoxidized
Surface&Coatings
hi。gh
temperature[J].
of
a
Technology,1998,36(1):1l1一115.
G
l乙Application
to
[14】Holcomb
GR,Pierre
【23】TakeshiTsuchida,SatoshiYamamoto.MA-SHSand
ofZrB2-ZrC
SPS
counter-currentgaseousdiffusionmodelof
theoxidation
of
composites[j].Solid
StateIonics,2004,172
hafnium
carbideat1200to
1530℃川.Oxidation
(1/4):215-216.
Metals,1993,40(1/2):109.118.
[15】HolcombGR.Countcrcurzentgaseousdiffusionmodel
of
oxidationthrough
a
[24】Mishra
SK,DasSK.Sintcringandmicrostructural
behaviourofSHSproducedzirconiumdiboridewiththe
powder
porous
coating叨.Corrosion.
addition
ofC
andTiC[J-].Materials
Letters,
饵ouston),1996,52(7):5312539.【16】CourtrightEL,PraterJ
ofhafnium
T,HolcombGR,et
2005,59(27):3467.3470.
al。Oxidation
of
【25】BrockmeyerJW,Williams
and
testing
of
BE,HengS.Characterization
protective
carbideandhafniumcarbidewithadditionsof
Metals,
layered
HfC/SiC
tantalum
andpraseodymium[J].Oxidationcoatings[C]//TMSAnnualMeeting:HardCoatingsBased
on
199l,36(5/6):423437.Borides,Carbides&Nitrides:Synthesis,
【17】FrdddficMonteverde.The
thermal
stabilityin
airof
Characterization&Application,1998:259-268.
万方数据