三元层状M2AlC陶瓷冲刷行为与高温氧化烧蚀性能

摘要

三元层状陶瓷Mn+1AXn（简称MAX相，其中M为过渡族金属元素，A主要为ⅢA和ⅣA族元素，X为C或N，n主要为1、2、3，）是一类新型可加工的结构陶瓷材料，它综合了金属和陶瓷的优良特性，如良好的耐高温、抗氧化性、耐腐蚀性，良好的导电、导热性，具有高强度，高弹性模量，还有较好的塑性及机械可加工性。Ta2AlC、Cr2AlC和Ti2AlC（文中统称为M2AlC相）属于三元层状陶瓷MAX相中的211相，是三元层状陶瓷优良性能的典型代表，具有潜在的应用价值。
　　本文采用热压烧结工艺合成制备三元层状Ta2AlC、Cr2AlC和Ti2AlC陶瓷材料，利用XRD、SEM分析三元层状陶瓷材料的物相组成和微观形貌，并通过冲刷磨损试验，恒温氧化、循环氧化及高温烧蚀试验，研究Ta2AlC、Cr2AlC、Ti2AlC三种陶瓷材料的耐冲刷磨损性能、高温抗氧化性能及超高温条件下的抗烧蚀性能，通过分析氧化和烧蚀后的陶瓷材料的物相组成，氧化表面、截面微观组织结构，氧化动力学曲线和材料的烧蚀率，评价所制三元层状陶瓷的抗高温氧化性能和耐烧蚀性能。
　　三元层状陶瓷材料的耐冲刷磨损性能与材料的组织结构有关，裂纹越少，材料耐冲刷性能越好。在冲刷角度为90°时，材料同时受到正应力冲击和微切削作用，表现出塑性材料和脆性材料的冲刷特征，材料的流失既有轴向和径向的微裂纹扩展导致的晶粒剥落，还有表面微切削作用产生的犁沟。Ta2AlC、Cr2AlC、Ti2AlC材料的冲刷磨损率分别为11.34％、14.38%和20.06%，Ta2AlC具有最好的抗冲刷磨损性能。
　　在800℃、900℃和1000℃的恒温氧化与循环氧化过程中，三元层状陶瓷材料 Ta2AlC、Cr2AlC、Ti2AlC的表面均有氧化层覆盖，且随着氧化时间的增加和氧化温度的提高，氧化层厚度增加。Ta2AlC表面的主要氧化产物为Ta2O5，Cr2AlC主要氧化产物为Al2O3，Ti2AlC的主要氧化产物为TiO2。由于Ta2AlC的氧化产物Ta2O5不够致密，不能形成有效的保护作用，且在恒温氧化和循环氧化过程中，表面氧化层发生剥落，抗氧化性较差，氧化动力学曲线遵循直线规律。Ti2AlC在恒温氧化和循环氧化过程中均形成比较厚的氧化层，无氧化层剥落现象发生，氧化动力学曲线满足抛物线规律。Cr2AlC在氧化过程中表面快速形成一层比较薄的致密氧化层，随着氧化时间的增长，氧化增重趋于平缓，其恒温氧化动力学曲线符合抛物线规律，在900℃恒温氧化和循环氧化过程中，由于C的流失，氧化动力学曲线表现为失重，Cr2AlC总体上表现为良好的抗氧化性。
　　氧乙炔烧蚀过程中，三元层状陶瓷 Ta2AlC、Cr2AlC、Ti2AlC均具有良好的抗热震性能，经过高温热冲击后表面未出现宏观热震破坏，同时烧蚀过程中，有空气中的N2参与反应，有少量含氮化合物生成。Ta2AlC、Cr2AlC和Ti2AlC的线烧蚀率分别为2.08×10-4mm/s、0.25×10-4mm/s和6.08×10-4mm/s，质量烧蚀率分别为1.58×10-5g/s、0.27×10-5g/s和4.9×10-5g/s，Cr2AlC具有较强的耐烧蚀性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景

1.2 三元层状陶瓷材料的研究现状

1.3 三元层状陶瓷材料的制备方法

1.4 三元层状陶瓷材料的延伸

1.5 论文的研究意义和主要研究内容

第2章 材料制备与测试方法

2.1 试验原料及仪器设备

2.2 材料的制备

2.3 材料的表征与性能测试

2.4 本章小结

第3章 三元层状M2AlC陶瓷的形貌和冲刷磨损性能

3.1 三元层状M2AlC陶瓷的物相组成与微观形貌

3.2 三元层状M2AlC陶瓷的冲刷磨损性能

3.3 本章小结

第4章三元层状M2AlC陶瓷的高温氧化性能

4.1 三元层状M2AlC陶瓷的恒温氧化性能

4.2 三元层状M2AlC陶瓷的循环氧化性能

4.3 本章小结

第5章三元层状M2AlC陶瓷的高温烧蚀性能

5.1 三元层状M2AlC陶瓷氧乙炔烧蚀物相分析

5.2 三元层状M2AlC陶瓷氧乙炔烧蚀微观形貌

5.3 三元层状M2AlC陶瓷氧乙炔烧蚀氧化行为分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢