燃烧合成-熔铸工艺制备MoSi-Fe原位复合材料的研究

摘要

二硅化钼（MoSi2）具有较高的熔点和较低的密度，且在高温下还具有良好的抗氧化性等，在航空航天等领域有着潜在的应用前景。但是，MoSi2在室温具有较低的断裂韧性，这在一定程度上阻碍了它的应用。 近年来，韧相增韧(ductile-phase toughening)成为增韧脆性的陶瓷及金属间化合物的有效方法。为此，本文采用燃烧合成-熔铸技术，旨在制备MoSi2-Fe原位复合材料。 以MoO3-Al-Si-Fe为反应体系，系统研究了体系的SHS反应热力学、燃烧合成过程及合成产物的熔化和凝固过程。 结果表明：在该反应体系中，当MoSi2-Fe原位复合材料中Fe的含量不超过45 wt.％时，体系的绝热燃烧温度高于所有合成产物的熔点。这样，合成产物能全部熔化成液态并可进行液态成形。因此，采用提出的燃烧合成-熔铸工艺能够同步实现MoSi2-Fe复合材料的原位合成与液态成形一体化。而且，随着体系中Fe含量的增加，燃烧合成反应的点火时间延长，燃烧模式从热爆模式变为自蔓延模式，且燃烧波蔓延速度逐渐下降。用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM) 和电子探针微区分析(EPMA)观测了制备的MoSi2-Fe原位复合材料的显微组织，并测试了复合材料的力学性能。 结果表明：制备的复合材料由原位合成的MoSi2和Fe组成，Fe以粘结相分布在MoSi2的边界上。随着Fe含量的增加，MoSi2由四方形转变为近球形，且尺寸由20mm下降到2mm，而复合材料的致密度和硬度均呈先增加后降低的趋势，断裂韧性则有所提高。当复合材料中Fe含量为40 wt.％时，制备的复合材料的断裂韧性达到4.48MPa×m-1/2，复合材料的韧化机制为裂纹尖端塑性钝化机制和裂纹偏转机制。