MAX陶瓷抗熱震和耐燒蝕性能及其機制研究

《MAX陶瓷抗熱震和耐燒蝕性能及其機制研究》是依託北京交通大學，由李世波擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：MAX陶瓷抗熱震和耐燒蝕性能及其機制研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李世波
• 依託單位：北京交通大學

項目摘要

MAX陶瓷具有不同於傳統高溫陶瓷的異常熱震行為及最近發現的裂紋自癒合和耐燒蝕性能，是氧化和高溫環境下服役的關鍵部件的優選材料，但其異常熱震行為及耐燒蝕機制一直沒有得到合理的解釋。本項目以Ti2AlC和Cr2AlC兩種代表性的 MAX陶瓷為研究對象，在前期有啟發性的實驗結果基礎上，集中研究材料的抗熱震和耐燒蝕性能。主要研究內容包括：確定關鍵工藝參數，製備具有組織-性能可調的Ti2AlC和Cr2AlC單一材料及新型高溫複合材料，對比研究單一和複合材料的高溫性能（氧化、熱震及燒蝕）。研究關鍵影響因素如淬冷介質、高溫反應產物、微觀組織等對材料抗熱震性能的影響；研究燒蝕產物、液相形成、氧化層結構、微觀組織以及第二相顆粒等對燒蝕性能的影響。本項目旨在揭示MAX材料的耐燒蝕機制及困擾人們近17年的異常熱震行為機制。本項目的開展，能取得創新性成果，對促進MAX材料在氧化和高溫環境中的套用有推動作用。

結題摘要

本課題系統研究了Cr2AlC材料在不同淬冷介質中熱震行為，揭示了異常熱震機制；對比研究了Ti2AlC、Cr2AlC以及ZrC/Cr2AlC的超高溫燒蝕性能及其機制。通過系統研究，獲得了工藝-組織-性能之間的關係，為MAX相材料在高溫環境及其它領域的套用提供了依據。本研究取得了如下創新性成果： （1）揭示了MAX材料在不同淬冷介質中的異常熱震行為及機制 本研究發現Cr2AlC為代表的MAX材料不僅在水中，而且在淬火油和熔鹽中皆表現出異常熱震行為，即經過熱震後材料性能逐漸降低，但在某一熱震溫度後力學性能開始恢復升高。其異常熱震行為機制主要是熱震裂紋被氧化物填充。另外，還首次發現Ti2SnC材料在導電方面存在異常熱震現象，即Ti2SnC在ΔT=500-800 ºC範圍內，熱震後電導率在600 ºC存在異常升高現象。主要機制是部分Sn從Ti2SnC中脫離出來填充了細裂紋。 （2）對比研究了Ti2AlC、Cr2AlC及ZrC/Cr2AlC複合材料的高溫燒蝕行為，並揭示了相關機制。氧-乙炔焰實驗表明，ZrC/Cr2AlC複合材料的耐燒蝕性能好於Cr2AlC，但兩者的耐燒蝕性能皆低於Ti2AlC。主要因為Cr2AlC在2100 ºC高溫分解成液相的Al8Cr5和Cr-C化合物。液相易被高速氧-乙炔焰吹走，造成Cr2AlC和ZrC/Cr2AlC材料的線和質量燒蝕率較高。但Ti2AlC在2100 ºC高溫分解成固相TiCx（熔點3250 ºC）和Al或Ti-Al化合物。即使Al或Ti-Al化合物變為氣相或液相，TiCx仍可作為固體骨架支撐燒蝕表面。這是Ti2AlC的高溫燒蝕性能優於Cr2AlC的主要原因。 （3）實現了Ti2SnC材料在相對低溫（800 ºC）和短時間（1h）內癒合裂紋。Ti2SnC在800 ºC，1小時內可癒合長度為1-2mm裂紋。癒合後材料的電導率和強度接近於初始值。主要機制是表面粗裂紋被TiO2和SnO2所填充，有利於強度恢復；而材料內部的細裂紋由金屬Sn填充，有利於電導率恢復。 （4）在其它方面亦取得了成果，如利用等離子氮化處理，有效提高了Ti2AlC“軟陶瓷”的表面硬度；批量合成了TiB2六方片晶並揭示形成機制；揭示了含有Al4C3的MAX塊體材料在室溫自粉化機制；利用MAX材料原位分解形成TiCx細化高鉻鑄鐵組織，有效提高了高鉻鑄鐵力學性能和耐磨性能。