熱壓燒結(jié)工藝制備的Mo3Si金屬間化合物的性能研究*

張 曄，陳偉衡，王婭輝，王 寧，張衛(wèi)剛

(西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，陜西 西安 710201)

引言

在現(xiàn)代工業(yè)中，高溫過程越來越普遍，對(duì)設(shè)備的使用溫度提出了更高的要求。目前，新一代的高溫結(jié)構(gòu)材料的使用溫度高達(dá) 1600 ℃，且必須滿足很好的抗氧化性能、力學(xué)性能和組織穩(wěn)定性能等方面的要求。Mo-Si系金屬硅化物以其高的熔點(diǎn)和優(yōu)異的高溫抗氧化性而成為學(xué)者研究高溫結(jié)構(gòu)材料的熱點(diǎn)[1-3]。

鉬是一種典型的難熔金屬，具有熔點(diǎn)高、彈性模量高、良好的塑性和韌性、高溫強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，是改善金屬硅化物室溫韌性和高溫強(qiáng)度的理想選擇之一。純鉬的脆韌轉(zhuǎn)變溫度為-20 ℃，說明其在室溫狀態(tài)下具有很好的塑性和韌性，在高應(yīng)力狀態(tài)下能夠順利地進(jìn)行塑性變形，表現(xiàn)出一定的韌性，因此彌補(bǔ)了金屬硅化物存在比較嚴(yán)重的室溫脆性和較低的斷裂強(qiáng)度[4-6]。此外，難熔金屬具有比較好的強(qiáng)韌性配合，因此用難熔金屬來增韌金屬間化合物，可以有效改善材料的力學(xué)性能。本文基于前期的研究基礎(chǔ)，將機(jī)械合金化工藝結(jié)合熱處理工藝制備出的Mo3Si金屬間化合物粉末裝入到石墨模具中，通過熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材，并進(jìn)一步研究其物相組成、顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能。

1 Mo3Si金屬間化合物塊材的熱壓燒結(jié)制備工藝

圖1為熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材的工藝流程圖，經(jīng)過前期的研究，將機(jī)械合金化球磨 60 h 和 800 ℃ 熱處理得到的Mo3Si金屬間化合物粉末放置到石墨模具中，然后將石墨模具放置到熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)。熱壓燒結(jié)工藝的燒結(jié)溫度為 1100 ℃，熱壓壓力為 35 MPa，保溫時(shí)間為 2 h，整個(gè)過程在真空狀態(tài)下進(jìn)行。圖2為熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材的工藝過程的示意圖。

圖1 熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材的工藝流程圖

圖2 熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材的工藝過程圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

采用X-射線衍射儀(XRD-6000型)來測(cè)定熱壓燒結(jié)工藝制備的Mo3Si金屬間化合物塊材的物相組成，使用JSM-6390A型掃描電鏡來觀察和分析其顯微結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)采用洛氏硬度儀來測(cè)試制備塊材的洛氏硬度，測(cè)5組并取其平均值作為洛氏硬度值。此外，進(jìn)一步測(cè)量了其密度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性及彈性模量，具體如下：

1)相對(duì)密度：采用Archimedes排水法測(cè)定。在空氣中稱量出試樣的質(zhì)量m，然后在去離子水中煮沸 2 h，使水完全充滿開口氣孔，冷卻后測(cè)定試樣在水中的懸浮質(zhì)量mwater和空氣中的濕重mwet，試樣的體積密度ρ和顯氣孔率P分別由式(1)和(2)得出，相對(duì)密度是體積密度與顯氣孔率的比值。

(1)

(2)

(3)

2)抗彎強(qiáng)度(σf)：選取尺寸為 3 mm×4 mm×30 mm 的試樣，表面經(jīng)過打磨處理，研磨拋光，并倒角，采用三點(diǎn)彎曲法在INSTRON1195型電子力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行塊材抗彎強(qiáng)度的測(cè)試，加載速率為 0.5 mm/min，跨距為 16 mm。由下式求得試樣的抗彎強(qiáng)度：

(4)

其中，σf為抗彎強(qiáng)度，P為加載載荷，L為跨距，b為試樣寬度，h為試樣的高度。

3)斷裂韌性(KIC)：塊材的斷裂韌性采用單邊缺口梁法(SENB)進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸為 3 mm×4 mm×30 mm，缺口深度為 1.5 mm，寬度為 0.2 mm，試樣加載速率為 0.05 mm/min。計(jì)算公式如下式所示：

(5)

其中，KIC為斷裂韌性，Y為缺口形狀因子，P為加載載荷，L為跨距，a為缺口深度，b為試樣的寬度，W為試樣的高度。缺口的形狀因子Y可以由下式來表示：

(6)

其中，W為試樣的高度，a為缺口深度。

4)彈性模量(E)：在常溫下采用三點(diǎn)彎曲法，測(cè)定塊材應(yīng)力-應(yīng)變曲線的直線部分，即可求出其彈性模量。本研究采用載荷-撓度曲線，可用(7)進(jìn)行彈性模量E的計(jì)算：

(7)

其中，E為彈性模量，P為載荷，f為撓度，l為跨距，b為試樣寬度，h為試樣高度。跨距為 16 mm，壓頭的加載速率為 0.5 mm/min。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 Mo3Si金屬間化合物塊材的物相組成分析

圖3為經(jīng)過熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材的XRD圖譜，由圖可以看出，在XRD圖譜中只存在著Mo3Si金屬間化合物相的衍射峰，其中2θ=41.18o為最強(qiáng)衍射峰。Mo-Si固溶體在由高溫向低溫冷卻過程中，高溫?zé)o序態(tài)在隨后的冷卻過程中將發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變，這是由于B2結(jié)構(gòu)具有較快的有序化速度，既使淬火快冷也不能抑制bcc向B2有序轉(zhuǎn)變，這表明隨爐冷卻得到的Mo3Si合金塊材主要以有序度很低的B2結(jié)構(gòu)為主，因此形成的Mo3Si合金塊材主要以B2結(jié)構(gòu)為主。

圖3 熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材的XRD圖譜

3.2 Mo3Si金屬間化合物塊材的顯微結(jié)構(gòu)分析

圖4為熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si塊材的掃描電鏡照片。由圖可以看出，制備出的Mo3Si塊材表面顯微結(jié)構(gòu)均勻致密，基體晶粒細(xì)小，平均顆粒尺寸約為5～8 μm。而且在熱壓燒結(jié)塊材中幾乎沒有氣孔和缺陷，說明本實(shí)驗(yàn)采用的熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)是合適的，能夠得到致密度約為95%的熱壓燒結(jié)塊材。由于制備的Mo3Si金屬間化合物具有致密的顯微結(jié)構(gòu)，所以通過熱壓燒結(jié)工藝得到的Mo3Si金屬間化合物塊材具有較高的力學(xué)性能。

圖4 熱壓燒結(jié)工藝制備的Mo3Si金屬間化合物塊材的掃描電鏡照片

圖5為Mo3Si金屬間化合物試樣斷口表面的能譜分析圖譜，由圖可得，在能譜分析圖譜中只有Mo元素和Si元素，而沒有其他的雜質(zhì)元素，并且熱壓燒結(jié)工藝制備出了Mo3Si金屬間化合物塊材具有均勻致密的顯微結(jié)構(gòu)，所以本實(shí)驗(yàn)采用熱壓燒結(jié)工藝制備出Mo3Si金屬間化合物塊材。

圖5 熱壓燒結(jié)工藝制備Mo3Si金屬間化合物塊材斷口表面的能譜分析圖譜

3.3 制備的Mo3Si塊材的力學(xué)性能和燒結(jié)機(jī)理分析

對(duì)熱壓燒結(jié)后得到的Mo3Si金屬間化合物塊材的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，表1為熱壓燒結(jié)工藝制備的Mo3Si金屬間化合物塊材的力學(xué)性能。據(jù)文獻(xiàn)資料的報(bào)道，Mo3Si金屬間化合物塊材的理論密度為 8.97 g/cm3，經(jīng)過計(jì)算，實(shí)驗(yàn)得到的Mo3Si塊材密度為 8.52 g/cm3，非常接近其理論密度。Mo3Si金屬間化合物塊材具有較高的抗彎強(qiáng)度和較高的斷裂韌性，分別為 738 MPa 和 21.85 MPa·m1/2，以及具有較高的彈性模量和硬度。

表1 熱壓燒結(jié)工藝制備的Mo3Si金屬間化合物塊材的力學(xué)性能

在熱壓燒結(jié)過程中，Mo3Si金屬間化合物粉末在較高壓力的作用下被壓實(shí)致密化，隨著燒結(jié)溫度和壓力的升高，Mo3Si金屬間化合物顆粒被壓制在一起，坯體的體積逐漸收縮，致密度提高。當(dāng)達(dá)到較高的燒結(jié)溫度和壓力后，粉末顆粒在高溫高壓的作用下被燒結(jié)到一起，粉末顆粒之間發(fā)生熔合，Mo3Si金屬間化合物粉末被燒結(jié)到一起形成致密的燒結(jié)塊材。隨著保溫時(shí)間的增加，塊材的致密度顯著提高，而后隨時(shí)間的進(jìn)一步增加，粉末顆粒之間靠擴(kuò)散來進(jìn)行熔合，所得的塊材晶粒細(xì)小，成分均勻，具有較高的力學(xué)性能。

4 結(jié)論

本文基于之前的研究成果，采用熱壓燒結(jié)工藝制備出Mo3Si金屬間化合物塊材，并研究了熱壓燒結(jié)制備Mo3Si金屬間化合物塊材的制備條件、物相組成、顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能，并對(duì)其燒結(jié)機(jī)理進(jìn)行分析。優(yōu)化的熱壓燒結(jié)工藝條件為：熱壓燒結(jié)溫度為 1100 ℃，熱壓壓力為 35 MPa，保溫時(shí)間為 2 h。XRD圖譜表明熱壓燒結(jié)塊材主要是由Mo3Si金屬間化合物相所組成，熱壓燒結(jié)工藝制備的Mo3Si金屬間化合物塊材的顯微結(jié)構(gòu)均勻致密，具有較高的致密度和較高的力學(xué)性能。熱壓燒結(jié)工藝制備的Mo3Si金屬間化合物塊材具有較高的力學(xué)性能主要是由于Mo3Si金屬間化合物塊材具有均勻致密的顯微結(jié)構(gòu)。