Mo-Si-B三元系复合材料的制备及室温断裂韧性

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2004.01.018 第26卷第1期 北京科技大学学报 Vol.26 No.1 2004年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2004 M0-Si-B三元系复合材料的制备 及室温断裂韧性 刘丰收”杨王玥” 张来启) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要通过Mo,Si,B三种单质粉末原位合成热压的方法制备了成分为Mo-12Si-8.5B和 Mo-28Si-8.5B的Mo-Si-B三元系复合材料.利用金相显微镜、金相偏光镜、X射线衍射技术、 扫描电镜等对制备材料的组织进行了分析，研究了退火工艺对其组织的影响，测量了其室温 断裂韧性，并对复合材料的增韧机制进行了初步的探讨. 关键词原位合成；热压；Mo-S-B复合材料；室温断裂韧性 分类号TB331 MoSi,在二元Mo-Si系中具有最高的熔点 课题组在成功应用原位合成方法制备MoSiz-SiC (2180℃)和最宽的成分范围(2.5%Si),并因有很 复合材料的基础上对原位合成热压方法制备 强的共价键而使其具有很好的蠕变抗力，虽然它 Mo-Si-B三元系复合材料进行了初步探索，并对 的抗氧化性能较差，但已有的研究表明，MoSi 其组织及室温断裂韧性进行了研究. 中添加1%B可以使其在800~1500℃的抗氧化性 提高5个数量级.因此，最近对Mo-Si-B三元系 1实验方法 复合材料己开展了大量的研究工作，目前主要 实验所用Mo,Si,B三种单质粉末的基本特 集中在-Mo+MoSi+Mo;SiB2和MoSi+MoSi+ 性如表1所示.所配制的两种复合材料成分如 Mo Si B2这两个三相区中，这两个三相区中的材 表2，它们分属于Mo-Si-B三元相图富Mo一角 料有着不同的性质：a-Mo+MoSi+Mo;SiB2(T2)三 的两个三相区，见图1中成分1和成分2所示位 相区中的材料因为有a-Mo相的存在，有比较好 置.将三种粉末按照以上两种成分配比充分混合 的韧性；Mo,Si+MoSi+Mo;SiB,三相区的材料具 后，进行热压实验.热压在High-Multi5000多功 有较好的高温抗氧化性能.它们因具备了作为超 能烧结炉中进行，热压温度为1700℃，压力为49 高温结构材料使用的潜力而引起人们的关注. kN.热压所用模具为石墨模具，50mm.对热压 迄今为止，Mo-Si-B三元系复合材料的合 后压坯在真空炉(10Pa)1600℃退火24h.利用 成、制备方法主要有电弧熔炼和粉未冶金(PM) 日本Rigak-MAX型X射线衍射仪、LEICA金相 两种方法，但是它们有着各自的优缺点，通过 显微镜和偏光设备、Cambridge S-250型扫描电镜 电弧熔炼方法得到的材料在冷却过程中组织可 对热压试样的相组成和组织进行研究.金相浸蚀 能会有微裂纹生成，不利于机械加工，而采用粉 剂为赤血盐KFe(CN)s])和NaOH的水溶液. 末冶金方法得到的材料组织却容易产生宏观裂 纹，并且组织中也有相对较高的氧及其他杂质元 表1原料粉末的特性参数 素含量.上述缺陷必定会对这种材料的性能产生 Table 1 Characteristics of experimental powders 有害的影响. 粉末平均粒度/μm多数径μm比表面'm2g)纯度% 原位合成是一种制备复合材料的方法网，本球磨M0 5.96 6.65 0.172 99.90 球磨Si 4.16 4.51 3.162 99.99 收稿日期200306-12 刘丰收男，25岁，硕士生 B <84 99.99

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 几 】 一 一 三元系复合材料 的制备 及室温断裂韧性 刘 丰收 ‘， 杨 王 明 ‘， 张 来启 ” 北 京科技大学材料科学 与工 程 学 院 ， 北 京 北 京 科技大学新金属 材料 国家重 点实验 室 ， 北 京 摘 要 通 过 ， ， 三 种 单质粉末 原位合 成 热 压 的方法制 备 了成 分 为 于 一 和 的 卜 一 三 元系复合 材料 利用金 相 显 微镜 、 金 相 偏 光 镜 、 射线衍射技术 、 扫描 电镜 等 对 制备材料 的组 织进行 了分 析 ， 研究 了退火 工 艺对 其 组 织 的影 响 ， 测 量 了其 室温 断裂韧 性 ， 并对 复合材料 的增 韧机制进行 了初 步的探讨 关键词 原位合成 热 压 复合材料 室 温 断裂 韧性 分 类号 在 二 元 系 中 具 有 最 高 的熔 点 ℃ 和 最 宽 的成 分 范 围 ， 并 因有 很 强 的共价键 而 使其 具有很好 的蠕变抗 力 虽 然 它 的抗 氧 化 性 能较差 ， 但 已 有 的研 究表 明 ， 中添 加 可 以使其 在 一 ℃ 的抗 氧 化 性 提 高 个 数量 级 因此 ， 最 近对 三 元 系 复合 材料 己开展 了大量 的研 究工 作 ‘冈 ， 目前主 要 集 中 在 正孑涯 伪 ， 讯 和 伪 ， ， 这 两 个三 相 区 中 这 两 个 三 相 区 中的材 料 有 着 不 同 的性质 川月迈 ， 讯 三 相 区 中的材料 因 为有。 刁边 相 的存在 ， 有 比较好 的韧 性 伪 伪 讯 三 相 区 的材 料 具 有 较 好 的高温抗氧化 性 能 它们 因具 备 了作 为超 高温 结构材料 使用 的潜 力而 引起 人们 的关注 迄 今 为 止 ， 于 一 三 元 系 复 合 材 料 的合 成 、 制 备方 法主 要 有 电弧 熔 炼 和 粉 末 冶 金 两 种 方 法 「卜 ，， 但 是 它 们 有着 各 自的优缺 点 通 过 电弧熔 炼 方 法 得 到 的材 料 在 冷 却 过 程 中组 织 可 能会 有 微 裂 纹 生 成 ， 不 利 于机 械 加 工 而 采 用 粉 末 冶 金 方 法 得 到 的材 料 组 织 却 容 易 产 生 宏 观 裂 纹 ， 并且 组织 中也 有相 对 较高 的氧及 其他 杂质元 素含 量 上 述 缺 陷必 定会 对 这种材料 的性 能产 生 有 害 的影 响〔， · ” 原位 合 成 是 一 种 制 备 复合 材 料 的方 法 ‘ ， 本 收稿 日期 刁 刘 丰收 男 ， 岁 ， 硕士 生 课 题 组 在 成 功 应 用 原位 合 成 方 法 制 备 二 复 合 材 料 的 基 础 上 对 原 位 合 成 热 压 方 法 制 备 三 元 系 复 合 材料进 行 了初 步探 索 ， 并对 其 组 织 及 室温 断裂 韧 性 进 行 了研 究 实验 方 法 实验 所 用 ， ， 三 种 单质 粉 末 的基 本特 性 如表 所 示 所 配 制 的两 种 复 合 材 料 成 分 如 表 ， 它 们 分 属 于 一 三 元 相 图 富 一 角 的两 个 三 相 区 ， 见 图 中成 分 和 成 分 所 示 位 置 将 三 种粉末 按 照 以上 两 种 成 分 配 比充 分 混 合 后 ， 进 行 热 压 实验 热 压 在 功 多功 能烧 结 炉 中进 行 ， 热 压温度 为 ℃ ， 压 力 为 热 压 所 用 模 具 为石 墨模 具 ， 中 对 热 压 后 压 坯 在 真 空 炉 一 ℃ 退 火 利用 日本 形 田， 型 射 线衍 射 仪 、 金 相 显微镜 和 偏 光 设 备 、 田脸 鲍 一 型扫 描 电镜 对 热 压试 样 的相 组 成 和 组 织 进行研 究 金 相浸 蚀 剂 为 赤 血 盐 民田 和 的水 溶 液 表 原 料粉末的特性参数 几 由住 恤 粉末 平 均粒 度 阿 多数径 脚 比表 面 ‘ 厂 ， · 一 纯度脱 球磨 直 球磨 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2004．01．018

·64 北京科技大学学报 2004年第1期 表2试样配制成分 fa/Wm=2.9(alwn-4.6(alW+21.8(a/W52- Table 2 Composition of sample 37.6(al/W2+38.7(a/W9 (2) 样品原子数分数% 质量分数% P为试样断裂的临界载荷，S为跨距，B为试样宽 1 Mo-12Si-8.5BMo:Si:B=94.7:4.2:1.1 度，形为试样高度，4为试样切口的深度.试样满 2 Mo-28Si-8.5BMo:Si:B=87.4:11.3:1.3 足WB=2,SB=4,a/W=0.45,切口宽度为0.12 mm,实验结果为4根试样的平均值， MoB 1873K 2 实验结果及分析 Mo.B Mo,SiB,(T2) 2.1M0-Si-B三元复合材料的制备 图2为使用原位合成热压方法制备的两种成 分材料组织的金相形貌照片，如图2()所示， Mo-12Si-8.5B合金中有四相存在：一相为白色连 成片状的组织，含量较多：一相为灰色的组织，它 Mo Mo,Si Mo,Si,(T1) 也以片状分布：深灰色相则为颗粒状的组织，它 主要分布在白色相的晶界，且分布不太均匀，有 图11600℃时MoSi-B三元系相图富Mo区 Fig.1 Mo-rich section of the isothermal ternary Mo-Si-B 的聚集分布，有的单个存在，尺寸较小，约12 phase diagram at 1600C m;第四相为深黑色相，它不均匀地分布在其他 各相的相界，含量较少，图2(b)为Mo-28Si-8.5B 三点弯曲实验在SJ-A型材料实验机上进 合金组织，也包含有四相：一相为灰白色连成片 行.采用单边缺口试样法来测量材料的室温断裂 组织：一相为亮白色的块状组织分布在基体中： 韧性，断裂韧性的计算公式为： Ke=B品a/m 一相为灰色颗粒状组织：第四相为深黑色组织， (1) 后两种相的分布情况与形貌和图2(a)中的情况 式中， 相似. 10μm 10m (a)Mo-12Si-8.5B (b)M0-28Si-8.5B 图2两种不同成分热压试样金相照片 Fig.2 Optical micrographs of hot-pressed samples with two different compositions 图3为上述两种不同成分的合金在1700℃热 图4为两种不同成分合金的背散射扫描组织 压后的XRD分析图.从XRD的分析图中可以看 形貌.通过这两种合金背散射扫描照片上村度的 出：合金Mo-12Si-8.5B由a-Mo,MoSi,Mo;SiB2及 不同，结合能谱(EDS)分析就能够确定组织中各 B,O,SiO2等五相组成（图3(a)合金Mo-28Si-8.5B 相的成分，如图中箭头所示，图4(a)中亮白色相 由MoSi,MoSi,Mo;SiB2及B,O,SiO2等五相组成 为a-Mo相，它连成了片状：浅灰色相为MoSi相， (图3b).两种合金中所含三种Mo-Si化物的相组 也以片状分布：颜色为深灰色的相为MoSB2相， 成与合金成分点所属的两个三相区相符（图1）.合 呈颗粒状分布.图4(b)组织中相组成和图4(a)不 金中出现BO,SiO,的峰衍射，可能与在空气中混同，其中白色较亮相为MoSi相，而灰色相为 粉或热压反应中带入的氧形成的硅硼玻璃相 MoSB,相，深色连成片状相为MoSi相.这两种 有关. 合金中黑色球形形貌的相中既含有基体中的Si

‘ 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 表 试样配 制成分 样 品 原子 数分 数肠 一 一 ， 一 质 量 分 数 ， 哟 哟 尼 一 叻 口 哟 泛 一 哟 ，佗 哟叨 为试 样 断 裂 的 临 界 载荷 ， 为跨距 ， 为试 样 宽 度 ， 砰为试样 高度 ， 为试 样切 口 的深度 试样满 足 用刀 ， 夕召二 ， 万 ， 切 口 宽 度 为 ， 实验 结 果 为 根试 样 的平 均值 ， ， 图 。 ℃ 时 比 三 元 系 相 图 富 区‘ 一 一 一 ， ， 三 点 弯 曲实验 在 型 材 料 实验 机 上 进 行 采用 单 边缺 口 试样法 来测 量 材 料 的室温 断裂 韧性 ， 断裂 韧 性 的计 算 公 式 为 几 · 、 ， ‘ 人， ” 万而蔽八 ‘ 尸 式 中 ， 实验 结 果 及 分 析 一 三 元 复合材 料 的制 备 图 为使用 原位合 成 热压方 法制 备 的两种成 分材料 组 织 的金 相 形貌 照 片 如 图 所 示 ， 合 金 中有 四相 存 在 一 相 为 白色连 成 片状 的组织 ， 含量较 多 一 相为灰色 的组织 ， 它 也 以片状 分 布 深 灰 色 相 则 为颗 粒状 的组 织 ， 它 主 要 分布在 白色 相 的 晶界 ， 且 分布 不太均匀 ， 有 的聚 集 分 布 ， 有 的单 个存 在 ， 尺 寸较 小 ， 约 林 第 四相 为深 黑 色 相 ， 它 不均 匀 地 分 布 在其他 各相 的相 界 ， 含量 较 少 图 伪 为 卜 合金 组 织 ， 也 包 含有 四相 一 相 为 灰 白色 连 成 片 组织 一 相 为亮 白色 的块状 组 织 分 布在基 体 中 一 相 为灰 色 颗粒 状 组 织 第 四相 为深 黑 色组 织 后 两 种 相 的分 布 情况 与形貌和 图 中的情 况 相 似 一 一 图 两 种 不 同成分 热 压 试样 金 相 照 片 · 幻口 月兔 图 为上述 两 种 不 同成 分 的合 金 在 ℃ 热 压 后 的 分析 图 从 的分析 图 中可 以看 出 合 金 由。 ， ， ， 及 ， 等 五 相 组 成 图 合 金 由 ， ， ， 及 ，， 等五 相 组 成 图 两 种合 金 中所 含三 种 于 化 物 的相 组 成与合 金成 分 点所 属 的两个三 相 区 相 符 图 合 金 中出现 ， 的峰衍射 ， 可 能 与在 空气 中混 粉 或 热 压 反 应 中 带 入 的 氧 形 成 的 硅 硼 玻 璃 相 有 关 图 为两种 不 同成 分 合 金 的背 散射 扫 描 组织 形貌 通 过 这 两种合 金 背 散射扫描照 片上 衬度 的 不 同 ， 结合 能谱 分 析 就 能够确 定组织 中各 相 的成 分 如 图 中箭头所 示 ， 图 中亮 白色 相 为。 相 ， 它 连 成 了片状 浅灰色 相 为 相 ， 也 以片状 分 布 颜色 为深 灰色 的相 为 伪 相 ， 呈颗 粒状 分 布 图 伪 组 织 中相 组 成 和 图 不 同 ， 其 中 白色 较 亮 相 为 相 ， 而 灰 色 相 为 伪 相 ， 深 色 连 成 片状 相 为 伪 ， 相 这 两种 合 金 中黑 色 球 形 形貌 的相 中既含 有 基 体 中的

Vol.26 No.1 刘丰收等：M0S1-B三元系复合材料的制备及室温断裂韧性 ·65· (a)Mo-12Si-8.5B●Mo (b)Mo-28Si-8.5B Mo,Si, ■MoSi 6 ■MoSi ▲Mo,SiB ◆B,O1 3 ▲Mo.SiB ◆B2O1 4 ★SiO2 2 ★SiO2 20 40 60 80100 120 20 40 6080100 120 20/() 20/() 图3两种成分实验合金热压试样RD分析 Fig.3 XRD patterns of hot-pressed samples with two different compositions a-Mo Mo Si Mo;SiB: Mo,Si, Mo:SiB, Mo,S (a)Mo-12Si-8.5B (b)Mo-28si-8.5B 图4两种合金的背散射扫描照片 Fig.4 Back-scattered SEM micrographs of two alloys Mo两种元素，又含有O元素，所以它可能是一些 粉末治金方法制备的Mo-Si-B三元系复合材料 硅硼玻璃相和空洞， 组织中也有该玻璃相存在，.从图5中还可以看 由RD(图3)和SEM背反射结合能谱分析 到，对应图5()中有些黑色相在偏光暗场下（图5 (图4)可以推测两种合金组织中有硅硼玻璃相的 (b)》仍为黑色相，这些黑色的相应该为空洞.在热 存在.偏光技术是用来鉴定非金属夹杂的一种重 压过程中，由于压力并不大，材料的致密性不能 要的分析方法.对于透明的球状夹杂物在正交 够达到理想值，在组织中必然会有一些空洞出 偏振光下会发生黑十字效应.图5为合金M0 现.Schneibel等在比较分别用粉末冶金方法和熔 12Si-8.5B的热压试样金相偏光照片.由图5b)能 炼两种方法制备Mo-Si-B三元系复合材料的特 够看到很明显的黑十字效应，因而发生黑十字效 点时就发现，用粉末方法来制备材料时的一个缺 应的透明球状夹杂物为硅硼玻璃相.Nieh等通过 点就是组织中O含量较高以及存在一些准平衡 10m 10m (a未浸蚀金相 (⑥)偏光金相 图5M0-12Si8.5B热压试样偏光金相照片 Fig.5 Polarised light optical micrographs of the hot-pressed Mo-12Si-8.5B sample

】 刘 丰收等 一 三 元 系 复合材料 的制备 及 室 温 断裂韧 性 侧籍燃友、一 幻 卜 ▲ ， 台 一 尸 之 ︸ 侧霉票友 ‘ ‘ 赶洲阶 盆 图 两 种 成 分 实验 合金 热压 试样 分 析 们 口 一 ， ， 一 卜 图 两 种 合金 的背散 射扫 描 照 片 啥 ， 两 种 元 素 ， 又 含 有 元 素 ， 所 以它 可 能是 一些 粉 末 冶 金 方 法 制 备 的 三 元 系 复合 材料 硅 硼 玻璃 相 和 空 洞 组 织 中也 有 该 玻璃 相 存 在 「月 从 图 中还 可 以看 由 图 和 背 反射 结合 能谱 分 析 到 ， 对 应 图 中有些 黑色 相 在偏 光 暗场 下 图 图 可 以推 测 两种 合 金组 织 中有硅硼 玻璃 相 的 仍 为 黑 色 相 ， 这 些 黑 色 的相 应 该 为 空洞 在热 存 在 偏 光 技术 是用 来鉴 定 非金属 夹杂 的一种重 压 过 程 中 ， 由于 压 力 并 不 大 ， 材 料 的致 密 性 不 能 要 的分 析 方 法 ，了 对 于 透 明 的球状 夹 杂物 在 正 交 够 达 到 理 想 值 ， 在 组 织 中必 然 会 有 一 些 空 洞 出 偏 振 光 下 会 发 生 黑 十 字 效应 图 为合 金 现 等 在 比较 分 别 用 粉 末 冶金 方 法 和 熔 一 的热 压试 样金 相偏 光 照 片 由图 伪 能 炼 两 种方法 制 备 三 元 系 复合 材 料 的特 够看到很 明显 的黑 十字效 应 ， 因而 发 生 黑十 字 效 点 时就 发现 ，用 粉 末 方 法 来制 备材 料 时 的一 个缺 应 的透 明球状夹杂物 为硅 硼 玻璃 相 等通 过 点就 是 组 织 中 含 量 较高 以及 存在 一 些 准平 衡 未 浸蚀金 相 伪 偏光 金 相 图 卜 闷 · 热压 试样偏 光 金相 照 片 · 一 ·

·66 北京科技大学学报 2004年第1期 空洞四 加，MoSi和Mo;SiB,的含量在退火后都有所减 经定量测定，两种实验合金中空洞以及夹杂 少.参考表3中两种成分合金在1600℃各相相对 的体积分数都在10%左右，它们对材料的性能必 量的理论计算值，MoSB,的相对含量在向计算 然会有害.出现硅硼玻璃相的主要原因是氧的存 值靠拢，也就是组织逐步趋向平衡态， 在，而氧可能是通过以下几种途径进入材料中： 图6为两种成分材料退火前后金相组织情 在粉末球磨的过程中，氧进入到粉末颗粒之间的 况.从图中可以看出，退火前后的组织形貌并没 空隙中：球磨结束后的烘干过程有Si粉被氧化： 有太大的区别，但经过退火以后组织都粗化，变 在热压过程中，由于热压设备的真空度只能达到 得均匀了 几个帕的数量级，在高温热压条件下也会有氧参 2,3Mo-Si-B复合材料室温断裂韧性研究 与反应 表4为两种不同相组成的Mo-Si-B三元复合 2.2退火对MoS?B复合材料组织的影响 材料三点弯曲室温断裂韧性的测量值.从表中可 表3是两种成分的材料退火前后组织中所含 以看到，Mo-12Si-8.5B成分材料的室温断裂韧性 各个相的体积分数情况.从表3可以看出，合金 在7~8Pam,而成分Mo-28Si-8.5B材料的只 Mo-12Si-8.5B组织中a-M0和MoSi相的含量在 有34MPam.从组织分析知道，Mo-12Si-8.5B 退火后有所增加，MoSB,的含量有所减少. 材料组织中含有aMo,MoSi和Mo;SiB2相，其中 Mo-28Si-8.5B的组织中MoSi相含量退火后有增 bcc结构的a-Mo相是相对于其他具有化合物结 表31600℃退火前后两种合金各相相对量变化 Table 3 Volume fractions of the phases in two alloys before and after annealing at 1600C % 成分 条件 a-Mo Mo Si Mo,SiB, Mo;Si 玻璃相 退火前 27 18.0 44.8 10.2 Mo-12Si-8.5B 退火后 31 18.5 37.0 13.5 计算值 38.3 31.8 29.9 退火前 4.6 45.1 38.2 12.1 Mo -28Si-8.5B 退火后 12.0 42.2 36.5 9.3 计算值 8.5 31.0 60.5 20μm 20um (a)退火前(Mo-12Si-8.5B) b)退火后Mo-12Si8.5B) 20 um 20m (©)退火前Mo-28Si-8.5B) (d退火后Mo-28Si8.5B) 图6两种合金退火前后金相组织 Fig.6 Optical micrographs of two alloys before and after annealing

‘ 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 空洞 口， 经 定量 测 定 ， 两 种 实验 合 金 中空洞 以及 夹杂 的体积 分 数都在 左 右 ， 它 们 对 材料 的性 能必 然会有害 出现硅 硼 玻璃 相 的主 要 原 因是氧 的存 在 ， 而 氧可 能是通 过 以下 几 种途 径进入 材料 中 在粉末 球磨 的过程 中 ， 氧进 入 到粉末颗粒之 间的 空 隙 中 球 磨 结束 后 的烘干 过 程 有 粉被氧 化 在热 压过程 中 ， 由于热 压 设 备 的真 空度 只 能达 到 几个 帕的数 量 级 ， 在高温 热 压 条件 下 也会 有氧参 与 反应 退 火对 介召卜 复合材料 组 织 的影 响 表 是两种成分 的材 料退 火前后 组织 中所 含 各个相 的体积 分数情 况 从 表 可 以看 出 ， 合 金 卜 阅 组 织 中“ 尸 和 相 的含 量 在 退 火 后 有 所 增 加 ， 伪 讯 的 含 量 有 所 减 少 召 的组 织 中 伪 相 含 量 退 火后 有增 加 ， 另 ， 和 的含量 在退 火后 都有所 减 少 参考 表 中两 种成 分合 金 在 ℃ 各相 相对 量 的理论 计 算值 ， 的相对含量 在 向计 算 值 靠 拢 ， 也就 是 组 织 逐 步趋 向平 衡态 图 为两 种 成 分材 料 退 火前 后 金 相 组 织 情 况 从 图 中可 以看 出 ， 退火前后 的组 织 形貌 并 没 有 太 大 的 区别 ， 但 经 过 退 火 以后 组 织都粗 化 ， 变 得 均 匀 了 介 卜 复合材 料 室 温 断裂韧性研 究 表 为两 种 不 同相 组 成 的 一 三 元 复合 材料三 点弯 曲室温断裂韧 性 的测 量值 从表 中可 以看 到 ， 成 分 材料 的室温 断裂 韧 性 在 一 · 珑 ， 而 成 分 。 材料 的只 有 · 班 从 组 织 分 析 知道 ， 材 料组 织 中含有 。 ， 伪 和 迅 相 ， 其 中 结构 的。 司协。 相 是 相 对 于其 他具 有 化 合物 结 表 ‘ ℃ 退 火前后 两种合金 各相 相 对 变化 廿 血 自即 作 伽 如 ℃ 成 分 条件 一 ， ， ， 玻璃 相 ‘飞︸，八。 门尸喻，户内︸、 ︸ ，」吃 一 卜 一 退 火前 退 火后 计 算值 退 火前 退 火后 计 算值 一 退 火 前 于 一 彻 退 火后 于 退 火前 一 退火后 洲卜 一 图 两种 合金退 火前后 金相组织 血 功 ， 卜叩 ” 。 即如

VoL26 No.1 刘丰收等：M0S1-B三元系复合材料的制备及室温断裂韧性 ◆67· 构的MoSi,MosSiB2,MoSi等相而言韧性比较好 而图7(a)合金室温断裂韧性值较高 的一个相.如MoSi,单晶的室温断裂韧性只有2 Mo-12Si-8.5B合金和Mo-28Si-8.5B合金的 MPam,MoSi的室温断裂韧性也只有3MPa· 组织中都含有细小的颗粒状分布的MoSB2相， mnm.所以a-Mo相的存在是Mo-12Si-8.5B合金 且该相在两种合金的组织中含量相差不大 有较高的室温断裂韧性的主要原因.M0-28Si- (表3).当裂纹遇到MoSB,小晶粒受阻后会改变 8.SB材料中所包含的三个相，MoSi,Mo,SiB2, 扩展方向，使得裂纹扩展的路径变得曲折“延 MoSi都是相对较脆的相，因为没有韧性相的存 长”，增加了扩展阻力，合金在断裂过程中将消耗 在，所以它的室温断裂韧性值明显低于Mo12Si- 较多的能量，材料的室温断裂韧性从而得到提 8.5B合金材料，但却要高于单相Mo,Si,Mo,SiB2及 高，如图8所示.MoSB2相的存在而导致的这种 Mo Si. 细晶增韧机制对于两种成分合金的室温断裂韧 表4二种不同相组成的MoS1-B复合材料室温断裂韧 性提高都有一定的作用.相对于单相材料如 性值 MoSi,MoSi等，合金Mo-28Si-8.5B的Kc值就得 Table 4 Room-temperature fracture toughness of two all- 到了一定的提高. oys with different compositions 从表4中还可以看到Mo-12Si-8.5B和Mo- 成分 工艺 Kic/(MPa-m) 28Si-8.5B两种材料在退火前后的断裂韧性值有 1700℃热压，未退火 7.33±0.26 Mo-12Si-8.5B 些小小的差别，这一点可以从退火对组织的影响 1700℃热压，退火24h 7.710.43 来作一些解释.从前面的分析知道，退火后，M0 1700℃热压，未退火 3.84±0.05 Mo-28Si-8.5B 12Si-8.5B材料的a-Mo相含量略有增加（表3），所 1700℃热压，退火24h 4.05±0.36 以Mo-12Si-8.5B材料退火后室温断裂韧性的提 上述两种成分材料试样的宏观断口断裂面 高是a-Mo相增加的原因.对于Mo-28Si-8.5B材 都很平整，没有明显的塑性变形痕迹，均为脆性 料，虽然组织中并没有包含韧性相a-Mo,但可以 断裂.图7为两种成分合金24h退火后断裂试样 推测退火后室温断裂韧性略有提高的原因是因 的微观断口形貌.图7(a)为Mo-12Si-8.5B合金的 为室温断裂韧性值稍大的MoSi相含量的增加所 断口照片，从照片上可以看到该断口为穿晶和沿 致 晶断裂的混合断口，有明显的凸凹不平和台阶， 表5给出了相关的Mo-S-X系材料的室温断 结合能谱分析可以看到，断口上有细小晶粒 裂韧性值，本研究通过原位合成热压制备的 Mo;SiB,的“拔起”，以及大晶粒c-Mo和MoSi内 Mo-12Si-8.5B和Mo-28Si-8.5B两种成分复合材 穿晶断裂留下的河流状痕迹.图7b)为Mo-28Si- 料中除了有相图（图1）所示的三相外，还有10% 8.5B合金的断口形貌，该断口较为平坦，偶尔可 的硅硼玻璃相夹杂及空洞，它们的存在降低了本 以见到裂纹沿小晶粒晶界面扩展，没有明显的金 实验制备材料的室温断裂韧性值.因而通过改进 属断口的特征.比较两种合金的断口，裂纹在图 制备工艺来降低玻璃相及空洞的含量使得材料 7(a)基体中扩展比在图7(b)消耗更多的能量，因 的室温断裂韧性得到进一步提高是完全可行的. (a)Mo-12Si-8.5B (b)Mo-28Si-8.5B 图7两种成分Mo-Si-B复合材料断口SEM照片 Fig.7 SEM micrographs of the fracture surface of two Mo-Si-B alloys at room temperture

刘 丰收等 怪 卜 三 元 系 复合材料 的 制 备及 室温 断 裂韧 性 构 的 ， ， ， ， 等 相 而 言韧 性 比较 好 的一 个 相 如 。 ， 单 晶 的室 温 断裂 韧 性 只 有 泥 ， 的室 温 断裂韧 性 也 只 有 · 呱 ‘，” 所 以。 一 。 相 的存 在 是 合 金 有 较 高 的 室 温 断裂 韧 性 的主 要 原 因 材 料 中所 包 含 的三 个 相 ， ， ， 伪 都 是 相 对 较 脆 的相 ， 因 为 没 有韧 性 相 的存 在 ， 所 以它 的室温 断裂 韧性值 明显低 于 于 卜 合 金材 料 ， 但 却 要 高于 单 相 ， 伪 及 伪 表 二 种 不 同相组成 的 名卜 复合材料 室 温 断裂韧 性值 介 · 加 沙 七 幻 住 成分 工 艺 ， · 叮 一 一 一 ℃ 热 压 ， 未退 火 ℃ 热 压 ，退 火 ℃ 热 压 ，未退 火 ℃ 热 压 ，退 火 士 土 士 土 上 述 两 种 成 分 材 料 试 样 的宏 观 断 口 断 裂 面 都很 平 整 ， 没 有 明显 的塑 性变 形 痕 迹 ， 均 为脆 性 断裂 图 为两 种成 分 合 金 退 火 后 断裂 试 样 的微观 断 口 形貌 图 为 合 金 的 断 口 照 片 ， 从照 片上可 以看 到该 断 口 为穿 晶和沿 晶断 裂 的混 合 断 口 ， 有 明显 的 凸 凹 不 平 和 台阶 ， 结 合 能 谱 分 析 可 以 看 到 ， 断 口 上 有 细 小 晶 粒 ， 迅 的 “ 拔 起 ” ， 以及 大 晶粒 。 月叼。 和 内 穿 晶断裂 留下 的河 流 状 痕 迹 图 伪 为 卜 合 金 的断 口 形 貌 ， 该 断 口 较 为平 坦 ， 偶 尔 可 以见 到裂 纹 沿 小 晶粒 晶界 面扩 展 ， 没 有 明显 的金 属 断 口 的特 征 比较 两 种 合 金 的 断 口 ， 裂 纹 在 图 基 体 中扩 展 比在 图 消耗更 多 的能量 ， 因 而 图 合 金 室温 断裂 韧 性 值较 高 合 金 和 合 金 的 组 织 中都含 有 细 小 的颗 粒 状 分 布 的 ， 扭 相 ， 且 该 相 在 两 种 合 金 的 组 织 中 含 量 相 差 不 大 表 当裂 纹 遇 到 。 另扭 小 晶粒 受 阻 后 会 改变 扩 展 方 向 ， 使 得 裂 纹 扩 展 的路 径 变 得 曲折 “ 延 长 ” ， 增 加 了扩 展 阻力 ， 合 金 在断裂过程 中将 消耗 较 多 的 能量 ， 材 料 的 室 温 断 裂 韧 性 从 而 得 到 提 高 ， 如 图 所 示 讯 相 的存 在 而 导 致 的这 种 细 晶增 韧 机制 对 于 两 种 成 分 合 金 的 室 温 断裂 韧 性 提 高 都 有 一 定 的 作 用 相 对 于 单 相 材 料 如 儿 ， 等 ， 合 金 的凡 。 值 就 得 到 了一 定 的提 高 从 表 中还 可 以看 到 和 一 两 种材 料 在 退 火 前 后 的断裂 韧性值 有 些 小 小 的差 别 ， 这 一 点可 以从 退 火对 组织 的影 响 来 作 一 些 解 释 从 前 面 的分 析 知道 ， 退 火 后 ， 卜 材料 的 相 含 量 略 有增 加 表 ， 所 以 材 料 退 火 后 室温 断 裂韧 性 的提 高 是。 ， 相 增 加 的 原 因 对 于 材 料 ， 虽 然 组 织 中并 没 有 包 含 韧 性 相“ 尸 ， 但 可 以 推 测 退 火 后 室 温 断裂 韧 性 略 有 提 高 的原 因 是 因 为室温 断裂韧 性值稍 大 的 相 含量 的增 加所 致 表 给 出 了相 关 的 于 系材料 的室温 断 裂 韧 性 值 本 研 究 通 过 原 位 合 成 热 压 制 备 的 卜 卜 和 卜 两 种 成 分 复合 材 料 中除 了有相 图 图 所 示 的三 相 外 ， 还 有 的硅硼 玻璃 相 夹杂及 空洞 ， 它们 的存在 降低 了本 实验 制 备材料 的室温 断裂 韧性值 因而通 过 改进 制 备 工 艺 来 降低 玻璃 相 及 空洞 的含 量 使 得材 料 的室温 断裂韧 性 得 到进 一 步提 高是 完全 可 行 的 书 。 空 一 图 两 种成分 卜 复合材料 断 口 照 片 咭