三元过渡金属硼化物的高温力学与摩擦磨损行为研究

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作为超高温陶瓷的重要一员,二元过渡金属硼化物陶瓷因其高熔点、高硬度在高超声速飞行器领域具有广阔应用前景,但其本征脆性和较差的抗氧化性能是其实现应用的主要障碍。MAX相陶瓷的高韧性和高损伤容限提示人们可以通过在二元硼化物中插入Al原子形成三元过渡金属硼化物MAB相陶瓷以达到增韧的目的。为了更好的理解这类材料,本文以两种典型MAB相材料MoAlB与Fe2AlB2作为研究对象,对其基本的力学性能、高温力学行为及摩擦磨损性能进行了研究。以MoB和Al为原料,采用热压烧结工艺,研究了MoAlB的物相组成和致密度等随烧结温度、保温时间、原料配比等主要工艺参数的演化规律。在MoB和Al的原料配比为1:1.3、保温时间大于2h的实验条件下可以制备出纯度较高的MoAlB块体,其中在1200摄氏度、30MPa下保温6h制备得到的MoAlB块体相对密度到达了90%以上。在所有的工艺参数中,保温时间对合成产物致密度的影响最为明显。XRD测得的晶格常数与理论值十分吻合。通过背散射图像结合能谱分析发现MoAlB块体中含有XRD检测图谱未发现的Al2O3及Mo-Al金属间化合物。工艺参数对所制备MoAlB的力学性能具有较大影响。保温1h合成的MoAlB硬度高于其他条件下合成的MoAlB,并且均高于Fe2AlB2。但是工艺参数对MoAlB断裂韧性的影响不大,高于Fe2AlB2,但其断裂功低于Fe2AlB2。MoAlB弯曲强度在350400MPa间,压缩强度在15002200 MPa之间。保温6h制备得到MoAlB的弯曲强度与压缩强度均低于其它实验条件下制备的MoAlB。对于本文制备的所有MoAlB,影响弯曲强度的主要因素是晶粒尺寸大小而非气孔率,压缩强度则是由晶粒尺寸与气孔率共同控制的。Fe2AlB2高温弯曲强度在0-1000℃温度区间内无明显衰减,破坏方式为脆性断裂。根据载荷位移曲线,弯曲状态下Fe2AlB2的脆韧转变温度(BDTT)接近但大于1000℃。Fe2AlB2压缩强度随温度的升高而下降,在1000℃下降低至245±7MPa。根据应力-应变曲线和破坏试样可确定Fe2AlB2压缩状态下的BDTT落在800-900℃范围内。压缩较三点弯曲载荷作用下较高的剪切应力导致前者较低的BDTT。以GCr15为摩擦盘,采用销盘式摩擦磨损试验机研究员了Fe2AlB2和MoAlB摩擦磨损行为。Fe2AlB2的稳定摩擦系数在0.3左右,磨损率在0.4×10-53.0×10-5mm3/(N·m)之间。MoAlB的稳定摩擦系数与Fe2AlB2十分接近,磨损率在0.4×10-55.0×10-5mm3/(N·m)之间。滑动速率通过改变黏着点接触的时间控制摩擦系数的大小,滑动速率增大摩擦系数减小,载荷对摩擦系数的影响并不明显。磨损率随载荷与滑动速率的增大而增加,主要的磨损方式为黏着磨损。摩擦过程中伴随着氧化膜的生成和脱落,在高速高载荷下发生了疲劳磨损。
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