Zr、Hf系超高温陶瓷抗氧化烧蚀性能研究

发布时间：2017-05-28 02:08

  本文关键词：Zr、Hf系超高温陶瓷抗氧化烧蚀性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高超声速飞行器因其具有的巨大军事和经济价值,近年来得到了广泛的关注和发展,由于其热端部件对材料提出了更高的要求,为了适应这种服役环境,超高温材料成为了发展研究的重点。Zr、Hf的碳化物及硼化物由于具有优异的高温性能,是超高温条件下服役的备选材料,而其抗氧化烧蚀性能又是衡量在超高温有氧气流冲刷条件下能否使用的关键指标。本文利用超音速火焰对ZrC-SiC、Zr B_2-SiC、HfC-SiC、HfB_2-SiC超高温陶瓷材料进行烧蚀试验,研究了组分含量、烧蚀温度对超高温陶瓷抗氧化烧蚀性能和烧蚀层结构的影响规律。结果表明,ZrC-SiC、ZrB_2-SiC、HfC-SiC、HfB_2-SiC超高温陶瓷材料的抗氧化烧蚀性能均较好,烧蚀率较低。硼化物陶瓷ZrB_2-SiC、HfB_2-SiC的烧蚀率较低,线烧蚀率和质量烧蚀率都在10-5 mm·s-1数量级,烧蚀层厚度较薄150μm;碳化物陶瓷ZrC-SiC、HfC-SiC的烧蚀率较硼化物高,质量烧蚀率在10-4 mm·s-1数量级,烧蚀层厚度也较硼化物陶瓷厚一些;烧蚀过程中硼化物陶瓷氧化生成的B_2O3挥发会吸收热量以及硼化物在氧化反应过程中本身吸热较多,使得烧蚀过程中硼化物的表面温度较低,所以硼化物陶瓷的抗氧化烧蚀性能优于碳化物陶瓷。碳化物陶瓷的烧蚀层结构可分为三层,表层为熔融态的致密氧化物层,第二层为SiO_2填充ZrO_2/HfO_2层,第三层为未完全氧化层;SiC含量较低(≤30%vol)时,由于生成SiO_2较少,在表层之下还有一层颗粒较大的重结晶ZrO_2/HfO_2层。硼化物陶瓷的烧蚀层结构主要也可以分为三层,表层为熔融态氧化物层,第二层为SiO_2填充ZrO_2/HfO_2层,第三层为SiC耗竭层;由于SiC的氧化活性较Zr B_2的大,在底层产生了SiC耗竭,同时当所含SiC≤50%vol时,也出现了重结晶ZrO_2/HfO_2层。随着烧蚀温度的升高,ZrC-SiC、Zr B_2-SiC的烧蚀层厚度增厚较大,增长一倍左右,而HfC-SiC、HfB_2-SiC的烧蚀层厚度基本无变化,但总体上来看,温度升高试样烧蚀层的结构会变得松散,与基体的结合性变差。SiC含量对烧蚀性能有一定的影响,其中70%vol SiC的试样由于表层的阻氧层为玻璃SiO_2,烧蚀层普遍较薄,在本文的试验条件中抗氧化烧蚀性较好,而50%vol SiC、30%vol SiC的试样表层为熔融态层,阻氧能力较SiO_2低,烧蚀层大多比70%vol SiC的厚。
【关键词】：ZrC-SiC ZrB_2-SiC HfC-SiC HfB_2-SiC 抗氧化烧蚀 超音速火焰
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 课题的研究背景及意义11-12
• 1.2 超高温材料12-15
• 1.2.1 难熔金属及其合金12-13
• 1.2.2 C/C复合材料13-14
• 1.2.3 C/SiC复合材料14
• 1.2.4 超高温陶瓷材料14-15
• 1.3 超高温陶瓷材料的研究现状15-19
• 1.3.1 碳化物陶瓷15-17
• 1.3.2 硼化物陶瓷17-19
• 1.4 烧蚀方法的评定19-20
• 1.5 选题依据及研究内容20-22
• 第2章 实验方法22-28
• 2.1 试样的制备22-23
• 2.1.1 粉体制备22
• 2.1.2 块体制备22-23
• 2.2 烧蚀试验23-26
• 2.2.1 试验平台23-24
• 2.2.2 烧蚀温度的测定24-26
• 2.3 测试方法26-28
• 2.3.1 相对密度的测定26
• 2.3.2 线烧蚀率、质量烧蚀率的测定26-27
• 2.3.3 显微形貌的观测27
• 2.3.4 化学成分的测定27-28
• 第3章 Zr系超高温陶瓷抗氧化烧蚀性能研究28-79
• 3.1 引言28
• 3.2 Zr系超高温陶瓷的制备结果28-30
• 3.3 ZrC-SiC超高温陶瓷抗氧化烧蚀行为分析30-51
• 3.3.1 烧蚀温度对ZrC-SiC抗氧化烧蚀性能的影响30-33
• 3.3.2 烧蚀温度对ZrC-SiC烧蚀层结构的影响33-45
• 3.3.3 SiC含量对ZrC-SiC抗氧化烧蚀性能的影响45-46
• 3.3.4 SiC含量对ZrC-SiC烧蚀层结构的影响46-50
• 3.3.5 抗烧蚀机理研究50-51
• 3.4 Zr B_2-SiC超高温陶瓷抗氧化烧蚀行为分析51-79
• 3.4.1 烧蚀温度对Zr B_2-SiC抗氧化烧蚀性能的影响51-55
• 3.4.2 烧蚀温度对Zr B_2-SiC烧蚀层结构的影响55-67
• 3.4.3 SiC含量对Zr B_2-SiC抗氧化烧蚀性能的影响67-70
• 3.4.4 SiC含量对Zr B_2-SiC烧蚀层结构的影响70-77
• 3.4.5 抗烧蚀机理研究77-79
• 第4章 Hf系超高温陶瓷抗氧化烧蚀性能研究79-111
• 4.1 引言79
• 4.2 Hf系超高温陶瓷的制备结果79-82
• 4.3 HfC-SiC超高温陶瓷抗氧化烧蚀行为分析82-94
• 4.3.1 烧蚀温度对HfC-SiC抗氧化烧蚀性能的影响82-83
• 4.3.2 烧蚀温度对HfC-SiC烧蚀层结构的影响83-87
• 4.3.3 SiC含量对HfC-SiC抗氧化烧蚀性能的影响87-88
• 4.3.4 SiC含量对HfC-SiC烧蚀层结构的影响88-92
• 4.3.5 抗烧蚀机理研究92-94
• 4.4 HfB_2-SiC超高温陶瓷抗氧化烧蚀行为分析94-111
• 4.4.1 烧蚀温度对HfB_2-SiC抗氧化烧蚀性能的影响94-97
• 4.4.2 烧蚀温度对HfB_2-SiC烧蚀层结构的影响97-103
• 4.4.3 SiC含量对HfB_2-SiC抗氧化烧蚀性能的影响103-105
• 4.4.4 SiC含量对HfB_2-SiC烧蚀层结构的影响105-109
• 4.4.5 抗烧蚀机理研究109-111
• 结论111-113
• 参考文献113-116
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单116-117
• 致谢117

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本文编号：401678