W2B5/C 复合材料的反应合成与组织性能

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本文采用反应热压烧结工艺制备了适用于动密封的W2B5/C系列复合材料,以现代分析方法研究了烧结温度和成分对复合材料的组织结构、室温力学性、室温摩擦磨损性能和高温氧化行为的影响规律和特点,阐明了复合材料的化机制,摩擦磨损机理和高温抗氧化机理。研究表明B4C与WC的反应路径如下:首先在较低温度下,B4C分解成硼原和碳原子,并在化学位梯度的作用下,硼原子向WC中扩散。当硼原子的渗入超过极限固溶度,便与WC之间发生置换反应生成αWB和碳原子;随着温度的高,硼原子进一步扩散,并与αWB反应生成W2B5。微观组织结构分析表明,1800℃热压试样中的W2B5颗粒为球形,平均粒径寸为1μm;而在1900℃和2000℃热压试样中,W2B5颗粒长成多边形,并有定数量的板片状,粒径尺寸为24μm。随着碳黑掺量的增加,板片状W2B5颗逐渐减少,粒径尺寸也逐渐减小到1μm。TEM观察表明:板片状W2B5颗粒的度为0.41μm,晶体内部存在大量的层错,层错平行于{0001}面方向。W2B5颗间没有孔洞和微裂纹。HREM观察表明W2B5与C的界面结合良好,未发现界反应物和非晶层的存在。力学性能测试结果表明,随着烧结温度的升高,70W2B5/C复合材料的断裂性与维氏硬度均增加。在1900℃烧结的70W2B5/C复合材料抗弯强度达到最大853MPa。W2B5含量的增加,使复合材料的室温力学性能大幅度提高,2000℃结的70W2B5/C复合材料抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度分别达到786 MPa、9 MPa·m1/2和12.25GPa。摩擦磨损试验发现,复合材料的摩擦磨损性能与材料的组成和试验载荷密相关。当W2B5含量从30vol.%增加到70vol.%时,复合材料的摩擦系数从与石相当的0.2增加到0.8。30W2B5/C、40W2B5/C和70W2B5/C复合材料的体积磨率比石墨低,而在75N下,50W2B5/C和60W2B5/C复合材料的体积磨损率却比墨高得多。覆盖在30W2B5/C和40W2B5/C复合材料磨损表面的富碳机械混合具有润滑作用,是复合材料具有较低摩擦系数的主要原因;而W2B5含量0vol.%的复合材料磨损表面覆盖的贫碳层则不具有润滑作用,因此使摩擦系增大。机械混合层的分层、断裂和脱落是复合材料的主要磨损机理。复合材料在7001000℃空气中的氧化失重与C材料相比显著降低。复合材在不同温度下生成的氧化层均由WO3和非晶B2O3组成。对于W2B5含量为
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