不同粉料粒度對硅鉬棒抗彎強(qiáng)度的影響

范文捷，劉 芳

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

硅鉬復(fù)合材料屬于金屬化合物，是一類介于金屬與陶瓷間的新型材料，其典型代表是二硅化鉬（MoSi2）.作為一種重要的高溫發(fā)熱材料和結(jié)構(gòu)材料，二硅化鉬在高溫下穩(wěn)定的物理性能引起國際材料界的極大興趣，近十年來成為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的研究熱點(diǎn).二硅化鉬不但具有熔點(diǎn)高、密度低、高溫抗氧化性及抗熱腐蝕性等性能，同時又有極好的高溫韌性，因此被譽(yù)為最有前途的高溫材料之一［1］.目前，國內(nèi)外在對二硅化鉬的研究上，集中在高溫發(fā)熱體、高溫結(jié)構(gòu)材料、功能梯度材料、涂層材料等方向.我國每年都在“863”計(jì)劃、“自然科學(xué)基金項(xiàng)目”計(jì)劃中對硅鉬復(fù)合材料的研究給予重點(diǎn)支持；國際上，美國、日本、瑞典等發(fā)達(dá)國家都把對硅鉬復(fù)合材料的研究作為先進(jìn)陶瓷研究的主要方向之一.

二硅化鉬電熱元件（硅鉬棒）在氧化氣氛中使用時，表面能形成一層致密、氣密性好的玻璃態(tài)SiO2膜，SiO2膜減弱了氧向內(nèi)部的擴(kuò)散，有效阻止了硅鉬棒的進(jìn)一步氧化，這是硅鉬棒氧化氣氛中使用時能維持較長的高溫壽命的原因.因此，高溫下硅鉬棒表面保護(hù)膜的質(zhì)量和穩(wěn)定性對硅鉬棒的使用性能具有極其重要的意義，同時硅鉬棒的高、低溫力學(xué)性能、抗熱震性、冷熱端結(jié)合性能等也是影響硅鉬棒使用性能的重要因素［2］.

自1952年瑞典的Karrthal公司做出第一支硅鉬棒成品以來，該公司不斷地致力于改善硅鉬棒脆性的研究工作，目前其產(chǎn)品的抗彎強(qiáng)度已達(dá)45（1±20%）kg／mm2.我國的硅鉬棒研究與生產(chǎn)亦有二十多年，但國內(nèi)產(chǎn)品的抗彎強(qiáng)度通常只有15kg／mm2左右［3］，與國際先進(jìn)水平相差甚遠(yuǎn)，是造成運(yùn)輸與安裝斷裂的主要原因，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的推廣使用和市場競爭力.

為了提高硅鉬棒的強(qiáng)度，許多科研工作者從改善硅鉬棒基體結(jié)構(gòu)出發(fā)，做過很多有益的嘗試，但從生膜工藝參數(shù)對硅鉬棒生膜后抗彎強(qiáng)度的影響方面的研究很少［4］.本文就不同燒成氣氛（氧化氣氛、H2）、MoSi2粉體的純度、粒度對硅鉬棒表面成膜性能和抗彎強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究.

1 硅鉬棒的生膜工藝

目前硅鉬棒的生產(chǎn)工藝一般采用如下的工藝流程：

原料Mo、Si粉末混合→自蔓延高溫合成MoSi2→球磨→加增塑劑塑化→擠出成型→干燥→燒結(jié)→熱彎氧化→焊接→成品.

MoSi2原料中的元素 Mo、Si間能形成多種穩(wěn)定型化合物，Mo－Si二元系相圖如圖1所示［5］.

圖1 Mo－Si二元系相圖

合成MoSi2粉料一般以Mo、Si原始粉末為原料.在Mo、Si的多種化合物中，只有 MoSi2具有抗氧化性，而Mo3Si和 Mo5Si3都不具有抗氧化能力.因此MoSi2是硅鉬棒原料合成中希望獲得的化合物，而其他類型的化合物一般會對硅鉬棒的性能產(chǎn)生有害影響，故在MoSi2合成過程中應(yīng)盡量避免其他相的產(chǎn)生.合成MoSi2時，Mo、Si原始粉末的配比一般選擇37%Si、63%Mo（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），即相圖中 MoSi2組成點(diǎn)對應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時在合成過程中要盡量避免MoSi2的氧化.

制備MoSi2粉料，通常采用自蔓延反應(yīng)進(jìn)行MoSi2原料的合成.將 Mo、Si粉末（37%Si、63%Mo）混合均勻，在氫氣（H2）保護(hù)下自蔓延反應(yīng)合成MoSi2，再經(jīng)過粉碎，即制得生產(chǎn)用MoSi2原料.硅鉬棒的燒結(jié)一般是在碳管爐中氫氣保護(hù)氣氛下經(jīng)1 800℃燒成.燒結(jié)氣氛是硅鉬棒燒成制度中的一個重要因素，目的是為了防止硅鉬棒在燒成過程中被氧化.

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用MoSi2原料由鄭州馳達(dá)爐業(yè)材料公司提供.原料制備工藝如下：37%Si粉（純度＞98%）、63%Mo粉（純度＞98%）→混合均勻→自蔓延反應(yīng)合成MoSi2→粉碎.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在1 400℃以下，硅鉬棒生膜效果太差，效率低，不適合于工業(yè)生產(chǎn)，而生膜溫度太高，又會造成基體晶粒長大，從而造成強(qiáng)度下降；生膜溫度以1 400℃至1 550℃之間較為理想.因此，試驗(yàn)以有代表性的1 450℃和1 500℃作比較，每種生膜條件下的抗彎強(qiáng)度取6個樣品的平均值.

（1）以傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的硅鉬棒，生膜前取8個樣品，測得抗彎強(qiáng)度如下：

抗彎強(qiáng)度：13.2、14.5、14.8、16.2、17.4、13.6、15.1、13.6kg／mm2.平均抗彎強(qiáng)度：14.8kg／mm2.

該樣品在1 450℃和1 500℃下生膜時，時間t與抗彎強(qiáng)度σ間的關(guān)系如圖2所示.

圖2 樣品在1 450℃和1 500℃下生膜時間t與抗彎強(qiáng)度σ的關(guān)系圖（傳統(tǒng)生膜工藝）

（2）引入第三相MoSi2的粒度為2.8μm的硅鉬棒，其生膜前的抗彎強(qiáng)度如下：

抗彎強(qiáng)度：29.5、32.4、36.8、30.1、32.3、29.6、34.7、36.8kg／mm2.平均抗彎強(qiáng)度：32.8kg／mm2.

該樣品在1 450℃和1 500℃下生膜時，時間t與抗彎強(qiáng)度σ間的關(guān)系如圖3所示.

（3）引入第三相MoSi2粒度為1.0μm的硅鉬棒，其生膜前的抗彎強(qiáng)度如下：

圖3 樣品在1 450℃和1 500℃下生膜時間t與抗彎強(qiáng)度σ的關(guān)系圖（MoSi2粒度為2.8μm）

抗彎強(qiáng)度：42.3、44.5、45.1、43.6、47.5、42.4、41.8、44.6kg／mm2.平均抗彎強(qiáng)度：43.9kg／mm2.

該樣品在1 450℃和1 500℃下生膜時，時間t與抗彎強(qiáng)度σ間的關(guān)系如圖4所示.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)硅鉬棒高溫下在氧化氣氛中進(jìn)行燒結(jié)生膜時，硅鉬棒有氣相生成的氧化反應(yīng)（2MoSi2＋7O2＝2MoO3＋4SiO2↑）發(fā)生，反應(yīng)生成的SiO2均勻覆蓋在硅鉬棒的表面，形成一層致密的氧化膜，從而大大消弱了表層中MoSiO2晶體的微裂紋和含有脆弱玻璃相的晶界在斷裂時所起到的裂紋源的作用，提高了產(chǎn)品的抗彎強(qiáng)度［6］.

圖4 樣品在1 450℃和1 500℃下生膜時間t與抗彎強(qiáng)度σ的關(guān)系圖（MoSi2粒度為1.0μm）

隨著生膜溫度的升高，生成SiO2的反應(yīng)進(jìn)行得越快，所以1 500℃下生膜比1 450℃下生膜，抗彎強(qiáng)度升得更快.隨著生膜時間的延長，棒體表面生成的SiO2也逐漸增多，抗彎強(qiáng)度亦相應(yīng)隨著升高.但當(dāng)SiO2均勻覆蓋在樣品表面，形成一層致密的氧化膜后，這層氧化膜阻止了氧氣進(jìn)入硅鉬棒基體，這時，氧原子只能通過氧化膜向棒體緩慢擴(kuò)散，抗彎強(qiáng)度開始穩(wěn)定下來.

從3種不同樣品的生膜對比來看，用傳統(tǒng)工藝生膜的硅鉬棒，由于基體晶粒粗大、缺陷多，故抗彎強(qiáng)度低，從而使得生膜的增強(qiáng)作用相對較明顯.引入第三相后，基體晶粒得到細(xì)化，特別是所用MoSi2的粒度為1.0μm生膜時，降低了基體的氣孔率，提高了產(chǎn)品的致密度，相應(yīng)減少了棒體的表面缺陷，從而使得基體的抗彎強(qiáng)度明顯提高.

4 結(jié) 語

本文研究了不同燒成氣氛（氧化氣氛、H2）、MoSi2粉體的純度、粒度對硅鉬棒表面成膜性能和抗彎強(qiáng)度的影響，得到如下結(jié)論：

（1）硅鉬棒在氧化氣氛中燒結(jié)時，在生膜的初級階段，隨著生膜時間的延長，樣品的抗彎強(qiáng)度逐漸升高，到一定時間后，抗彎強(qiáng)度就逐漸穩(wěn)定下來；

（2）生膜溫度越高，產(chǎn)品達(dá)到抗彎強(qiáng)度穩(wěn)定值所需的時間越短，對不同的燒成氣氛、MoSi2粒度，生膜對抗彎強(qiáng)度的影響亦不相同，MoSi2粉體粒度越細(xì)，生膜后所達(dá)到的抗彎強(qiáng)度也越高；

（3）基體本身的抗彎強(qiáng)度越高，生膜后所能達(dá)到的抗彎強(qiáng)度也越高.

［1］李玲艷，艾云龍，程玉桂，等.MoSi2及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展［J］.宇航材料工藝，2005（1）：10－14.

［2］周宏明，易丹青，石章智.MoSi2基高溫結(jié)構(gòu)材料的研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2006，11（20）：404－408.

［3］王德志，劉心宇，左鐵鏞.MoSi2－Mo5Si3復(fù)合材料的高溫氧化行為［J］.長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，18（1）：44－47.

［4］王德志，劉心宇，左鐵鏞.MoSi2－Mo5Si3復(fù)合材料的低溫氧化行為［J］.稀有金屬材料與工程，2002，31（1）：48－51.

［5］肖來榮，蔡志剛，易丹青，等.MoSi2涂層的組織結(jié)構(gòu)與高灘抗氧化性能［J］.中國有色金屬學(xué)報(bào)，2006，6（16）：1028－1033.

［6］馮培忠，曲選輝，杜學(xué)麗，等.二硅化鉬抗氧化性的研究進(jìn)展［J］.粉末冶金技術(shù)，2006，1（24）：64－68.