DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.03.027

20W_f/30ZrC_p/W复合材料的组织结构与力学性能

王玉金 周玉 宋桂明 吕德生 雷廷权

  哈尔滨工业大学材料科学与工程学院!哈尔滨150001  

摘 要：

采用真空热压烧结法制备了致密度为 98.5 %的 2 0Wf/ 30ZrCp/W复合材料 , 分析测试了复合材料的相组成、微观组织结构和力学性能。结果表明 :W丝在复合材料中分布较均匀 , 且基本平行于热压面 ;W与ZrC在界面处发生互扩散 , 形成了 (Zr, W ) C固溶体 ;W丝与基体间的界面结合强度过高 , 并发生明显的再结晶现象 ;加入W丝未能起到强韧化作用。复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别为 5 0 4MPa和 9.48MPa·m1/ 2 。

关键词：

钨基复合材料;钨丝;组织结构;力学性能;

中图分类号： TB331

收稿日期：2000-08-11

基金：航天工业总公司“九五”重点预研资助项目 ( 18.10 .3 .1);

Microstructure and mechanical properties of 20W_f/30ZrC_p/W composite

Abstract：

The composition, microstructure and mechanical properties of 20W f/30ZrC p/W composite produced using hot pressing technique were investigated. Results show that the relative density reaches 98.5%. The tungsten wires are well distributed within the ZrC p/W matrix with preferred orientation. There is an interdiffusion of Zr and W in ZrC p/W interface, which results in (Zr, W) C solid solution forming and a strong bond between ZrC particle and tungsten wire or tungsten. The tungsten wires are recrystallized and have no strengthening and toughening effects on ZrC p/W matrix. The strength and fracture toughness of 20W f/30ZrC p/W composite are 504?MPa and 9.48?MPa·m 1/2 , respectively.[

Keyword：

tungsten matrix composite; tungsten wire; microstructure; mechanical properties;

Received： 2000-08-11

钨丝由于具有优异的高温性能而被广泛地应用为复合材料增强体, 以大大提高高温结构材料的高温力学性能、 抗热震性及耐蚀性能, 如钨丝增强Fe-Cr-Al-Y, Nb, Zr, Ni₃Al等材料 ^[1,2,3] , 但钨丝增强钨基材料的研究却很少见到报道。 作者前期曾对碳化物颗粒增强钨基复合材料进行了研究, 发现此系列复合材料具有较为优异的室温和高温力学性能 ^[4,5,6,7] 。 为进一步提高其高温性能, 作者在研制30%ZrC_p/W (体积分数) 基础上, 用适量钨丝替代钨粉。 制备了20W_f/30ZrC_p/W复合材料, 并对其组织结构和室温力学性能进行了分析测试。

1实验方法

将掺杂钨丝 (直径50 μm、 长径比为50) 、 ZrC粉末 (纯度98%、 平均粒径2～3μm) 和钨粉 (纯度99%、 平均粒径3～4μm) 按20%W_f+30%ZrC+50%W (体积分数) 的比例配料, 先将W粉和ZrC粉球磨混合24h?后, 再加入W丝混合6 h, 然后在AVS真空/可控气氛热压烧结炉中用真空热压烧结工艺 (1.3×10^-3 Pa, 2 100 ℃, 20 MPa, 2 h) 制备20W_f/30ZrC_p/W复合材料。

用X射线衍射鉴定复合材料的相组成;用阿基米德排水法测定复合材料的密度 (ρ) ;用Hv50型维氏硬度计测量材料的硬度 (Hv) , 载荷10 kg; 复合材料的室温力学性能在Instron-1185型万能试验机上进行, 用三点弯曲法测定复合材料的抗弯强度 (σ_f) 和弹性模量 (E) , 试样尺寸为3 mm×4 mm×36 mm, 跨距30 mm, 十字头移动速率为0.5 mm/min;用单边切口梁法 (SENB) 测定复合材料的断裂韧性 (K_ⅠC) , 试样尺寸为2 mm×4 mm×20 mm, 缺口宽0.2 mm, 深2 mm, 跨距16 mm, 十字头移动速率为0.05 mm/min;分别用光学显微镜、 S-6501型扫描电子显微镜 (SEM) 和Philiph-CM12型透射电子显微镜 (TEM) 观察复合材料的显微组织、 断口形貌和进行微观组织结构分析。

2结果与讨论

2.120Wf/30ZrCp/W的相组成

由XRD图谱 (图1) 可见, 烧结后的复合材料仅由W和ZrC两相组成。 高温下W原子能够扩散到ZrC晶格中, 形成 (Zr, W) C固溶体, 该固溶体仍然保持ZrC的晶体结构, 因而XRD并不能检测到其存在, 但会导致W衍射峰的降低和ZrC峰的升高、 宽化。 原始ZrC粉末是由ZrO₂与C反应制得, 由于反应不完全, 残留了很少量ZrO₂与游离C, 本研究用ZrC粉末的实际计量化学式为ZrC_0.96, 游离C的含量小于0.3% (质量分数) , ZrC中的C未达到饱和值, 所以C易溶入 (Zr, W) C固溶体中, 因此XRD图谱中未发现C的衍射峰。 当然, 局部游离C颗粒团聚的地方, C亦可能与W反应生成WC或W₂C, 但即使有, 含量也非常低, XRD衍射检测不到。

2.220Wf/30ZrCp/W的组织结构

图2 (a) 和图2 (b) 所示分别为20W_f/30ZrC_p/W复合材料经氢氟酸腐蚀后在平行于热压面与垂直于热压面方向的SEM形貌。 从图2可以看出W丝在基体中分布比较均匀, 基本平行于热压面, 在平行于热压面的方向上, 钨丝呈无序分布。

图1 20Wf/30ZrCp/W复合材料的XRD图谱

Fig.1 XRD spectrum for sintered specimen of 20W_f/30ZrC_p/W composite

图2 复合材料腐蚀后的表面形貌

Fig.2 Microstructures of surface of corroded composite

(a) —Distribution of tungsten wires within hot-pressed plane (b) —Distribution of tungsten wires perpendicular to hot-pressed orientation

图3为W复合材料抛光表面ZrC_p/W组织的二次电子像, 可以看出ZrC颗粒比较均匀地分布于W基体中 (黑色为ZrC、 白色为W) , 基本看不到ZrC颗粒的团聚现象。 并且发现ZrC与W之间有很好的冶金结合, 材料中基本未发现孔洞, 说明该复合材料烧结很致密, 与致密度98.5%的测试结果一致。

图3 ZrCp/W的抛光表面的二次电子像

Fig.3 Secondary electron image of polished surface of ZrC_p/W

图4为复合材料的透射电镜照片, 可见ZrC_p/W界面干净。 对ZrC_p/W界面附近Zr和W元素的EDS分析和选区衍射分析表明, W向ZrC中扩散, 在ZrC中形成了 (Zr, W) C固溶体, 并仍保持ZrC的面心立方点阵, 而Zr扩散到W中则很少, 这与前期的研究结果是一致的 ^[8] 。 ZrC_p/W界面的这种元素互扩散将促进复合材料的烧结, 有助于提高界面强度。

在20W_f/30ZrC_p/W复合材料中发现ZrO₂相 (图5) , 它是由ZrC原料引入的杂质。 此外还发现六方结构W₂C相 (图6) , 这是在烧结过程中由原料中的游离C与W反应生成的, 根据SAD花样可以确认是α-W₂C。 由于W₂C量少, 所以在复合材料中不易观察到。

2.320Wf/30ZrCp/W的力学性能

20W_f/30ZrC_p/W复合材料的室温力学性能如表1所示。 可见, 复合材料的力学性能较好, 但与未加W丝的30ZrC_p/W复合材料相比强度约降低29%, 断裂韧性大致相当 ^[9] , W丝并未起到增强和增韧作用, 而硬度则有了大幅度提高。

图4 20Wf/30ZrCp/W复合材料的TEM形貌

Fig.4 TEM micrographs of 20W_f/30ZrC_p/W composite $[\stackrel{—}{{\displaystyle 1}}12]$

(a) —Zr content (mole fraction) in different area within W/ZrC interface zone; (b) —SAD pattern within zone axis

图5 20Wf/30ZrCp/W复合材料中的m-ZrO2组织

Fig.5 TEM micrograph of m-ZrO₂ in 20W_f/30ZrC_p/W composite

表1 复合材料的力学性能 Table 1 Mechanical properties of 20Wf/30ZrCp/W composite

由复合材料的SEM断口照片 (图7 (a) ) 可知, 复合材料的断口比较平直, 呈明显的脆性断裂。 基体断口为沿晶与穿晶的混合脆性断裂 (图7 (b) ) , 且以沿晶断裂为主。 ZrC颗粒尺寸为2～3 μm, W晶粒为3～4 μm, 都基本与原始晶粒相当, 可以认为颗粒没有明显长大, ZrC颗粒阻碍了W晶粒在烧结过程中的长大, 起到了细晶强韧化的作用。 钨丝发生了明显的再结晶现象 (图7 (c) ) , 断口为典型的脆性解理断裂 (图7 (d) ) , 有明显的河流花样。 裂纹平直穿过钨丝无偏转, 亦未发现钨丝的桥连和拔出现象, 说明钨丝与基体的界面结合强度过高, 这对材料的强韧化是不利的。 复合材料中的裂纹由W丝处萌生, 再向基体扩展, 这与加入钨丝的初衷相反。 因此, 钨丝的加入并未起到预期的纤维的桥连、 拔出及裂纹偏转等增韧作用, 再结晶钨丝反而成为弱化源, 从而降低了复合材料的强度和韧性。 这可能与过高的烧结温度和过长的保温时间有关, 所以通过改善烧结工艺 (如降低烧结温度、 缩短保温时间) 以避免钨丝再结晶或选择再结晶温度更高的W丝以及适当减弱W丝与ZrC的界面结合将会有助于提高复合材料的性能。

图6 20Wf/30ZrCp/W复合材料中α-W2C的TEM形貌

Fig.6 TEM micrographs of α-W₂C in 20W_f/30ZrC_p/W composite (a) —Bright field image of α-W₂C; (b) —SAD pattern of α-W₂C within zone axis [001]

图7 20Wf/30ZrCp/W复合材料的断口形貌

Fig.7 Fracture morphologies of 20W_f/30ZrC_p/W composite (a) —Low magnification morphology of 20W_f/30ZrC_p/W composite; (b) —Fracture morphology of ZrC_p/W matrix; (c) —Fractographics of W wire along the axial orientation; (d) —Fractographics of W wire perpendicular to axial orientation

3结论

1) 在热压烧结的20W_f/30ZrC_p/W复合材料界面处, ZrC与W相互扩散, 形成了 (Zr, W) C固溶体, 其形成促进了复合材料的烧结, 增大W与ZrC的界面结合强度。 钨丝的分布比较均匀, 且基本平行于热压面, ZrC阻碍了W晶粒在烧结过程中的长大。

2) 20W_f/30ZrC_p/W复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别为504 MPa和9.48 MPa·m^1/2, 复合材料的断口呈脆性断裂, 钨丝与基体的界面结合强度过高并产生明显的再结晶现象。 加入W丝未能起到强韧化作用。

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