Ta-Hf体系材料研究进展

发布时间：2021-02-09 10:26

　　含Ta、Hf两种元素的材料因具有较高的熔点、优异的力学性能、耐腐蚀性和高温稳定性,近年来在航空航天领域受到广泛关注。含Ta、Hf等元素的高熵合金被认为是替代传统高温合金的优良耐高温材料;Ta-Hf氧化物陶瓷具有优异的高温相稳定性和抗腐蚀性,在水氧耦合的复杂环境中仍能保持较好的使用性能,在航空领域具有较高的应用价值;Ta-Hf碳化物、氮化物及硼化物等在超高温陶瓷类材料中具有较高的熔点和优异的抗氧化能力,被认为是航天领域未来极具前景的高温材料。综述了几种典型Ta-Hf体系材料的研究进展,阐述了其设计思路,并展望了Ta-Hf体系材料未来的发展方向。 

【文章来源】：中国陶瓷. 2020,56(11)北大核心

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【部分图文】：

Ta Hf Nb Ti Zr合金的微观结构图和XRD谱图

碳化钽（Ta C）和碳化铪（Hf C）都具有优异的耐超高温性能。Ta C（熔点3880℃）是唯一可在3000℃以上高温环境保持机械性能的材料[24];Hf C则是二元陶瓷体系中熔点最高的材料，熔点高达3950℃[25]，并且其氧化产物Hf O2的熔点也高达2800℃，即便在超高温服役环境下也具备形成稳定氧化保护层的潜质，这使得Hf C具备了较优的抗氧化能力。根据文献中报道的Ta C-Hf C固溶相图（图5），当温度超过887℃以后二者理论上能够实现无限互溶，形成任意组分的TaxHf1-xC固溶陶瓷[26]。TaxHf1-xC固溶陶瓷不仅可以继承Ta C和Hf C各自的优异性能，还会由于固溶强化作用形成更加优异的特性，如更高的熔点、硬度及更好的高温使用性能等。Agte等[27]研究了不同固溶比TaxHf1-xC三元陶瓷的熔点，发现Ta0.8Hf0.2C有望成为世界上熔点最高的物质。进入21世纪，飞速发展的航空航天技术对超高温陶瓷材料的迫切需求使得具有超高熔点的TaxHf1-xC三元陶瓷成为各国研究者竞相追求的热点。3.1 TaxHf1-xC固溶陶瓷的结构

Ta、Hf形成的复相氧化物为Hf6Ta2O17，最初是在研究Ta-Hf合金的氧化行为时被发现。Yang等[14]发现Ta-Hf合金具有优异抗氧化能力的根本原因是在表层形成了致密的氧化层，该氧化层通过反应层与合金基体牢牢粘接在一起，在高温下具有优异的稳定性和抗热震性能，有效阻止了氧向内部的扩散，保护内部合金不被进一步氧化（如图2），当时将该氧化层命名为Hf Ta O超结构层，后被证实为Hf6Ta2O17。Hf6Ta2O17具有较高的熔点（约2400℃），较低的热导率，且在室温到熔点范围内仅存在α-Pb O2型正交结构一种物相形式，不存在相变，是一种理想的高温热结构材料[15]。目前，制备Hf6Ta2O17的方法主要有固相法和液相法。2.1 固相法


本文编号：3025492