《Mater Des》：1500℃长寿命！二硅化钼材料高温抗氧化研究新进展

学术 2024-11-07 17:07 江西

航空航天工业的快速发展对结构材料的性能要求越来越高，优秀的高温结构材料必须具备优异的抗氧化性、良好的化学稳定性和高强度以承受极端环境的冲击。MoSi₂因其具有适中的密度、低热膨胀系数被认为是理想的高温结构材料以应用于喷气发动机和燃气轮机的高温部件。但是MoSi₂在高温环境下表面形成的SiO₂膜相对脆弱，易受热应力作用而导致氧化层局部损伤，从而使更多的 MoSi₂相裸露在空气中，造成其寿命的大幅缩减。因此，迫切需要对单一MoSi₂材料进行改进以防止其断裂，并延长其在高温含氧环境下的使用寿命。

图1. 涡轮喷气发动机

此外，目前MoSi₂基复合材料的制备方法主要局限于机械合金化、熔盐法、碳热还原法等，此类方法不仅能耗巨大，而且需要较长的制备时间。自蔓延高温合成 (SHS) 技术是一种利用反应物之间高的化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的技术，相比于传统方法具有合成时间短，成本低、产物纯度高等优势。此外，放电等离子烧结（SPS）技术作为近年来刚发展的新技术，具有升温速率快、烧结时间短、成分和厚度可控等优点，可以实现陶瓷的快速致密化。

图2. MoSi₂基材料

为了合成具有优异抗氧化性能的MoSi₂基材料，实现其在高温结构领域的应用，来自中国矿业大学、香港理工大学、俄罗斯莫斯科国立科技大学（MISIS）以及河南省科学院碳基复合材料研究所的研究人员采用新颖的SHS和SPS两步法快速制备了具有优异高温抗氧化性能的Al合金化MoSi₂材料。结果表明， SHS工艺促进了合金粉末中高纯度MoSi₂和Mo(Si,Al)₂相的生成，而随后利用SPS 技术制备了致密且无裂纹的MoSi₂和Mo(Al,Si)₂材料。高温氧化后 MoSi₂材料表面形成了保护性的SiO₂氧化层，而Mo(Si,Al)₂材料上形成了Al-Si-O 复合玻璃氧化物层，表现出更好的热稳定性和更低的氧气渗透性。然而，过高含量的Al会降低抗氧化性能，这是因为Si的高温扩散会导致Mo₅(Si,Al)₃贫硅层的出现，从而导致抗氧化性能的恶化。

该研究发表在国际著名期刊Materials & Design上，题为“Microstructural evolution and 1500 °C oxidation resistance of Mo(Al,Si)₂ fabricated via an innovative two-step SHS-SPS technique”。中国矿业大学朱娜娜和香港理工大学朱路博士为共同第一作者，中国矿业大学张保敬副教授、冯培忠教授和王晓虹副教授为共同通讯作者。

图3. 本研究材料制备流程图

图4. SHS合成粉末XRD图谱及TEM形貌

图5. 1500℃氧化后氧化膜的TEM形貌

图5. 高温氧化后MoSi₂基材料的形貌

主要创新点：

设计了一种新颖的两步法来合成铝合金化MoSi₂材料。
通过SHS原位合成Mo(Si,Al)₂粉末，并通过SPS制备具有致密结构的复合材料。
通过高温下在Mo(Si,Al)₂材料表面形成Al-Si-O复合氧化物层以强化其高温阻氧能力。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队支持。

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