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哈尔滨工业大学王玉金/陈磊团队：通过钒元素含量实现(TiZrVNb)C陶瓷单复相转变与微结构调控，提升强硬韧化性能

已有 409 次阅读 2024-6-19 14:20 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷) 期刊

Cite this article:

Kong Q, Chen L, Huo S, et al. Phase transition of multi-component (TiZrVNb) C ceramics—Part II: From single phase to multiple phases via adjusting V content[J]. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(5).

https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220889

1、研究背景

随着航空航天和核工业的不断发展，对超高温材料的性能要求越来越严格。自高熵合金概念被报道以来，高熵材料由于复杂成分带来的特殊性能而受到广泛关注。近年来，高熵碳化物陶瓷的研究也取得了很大进展。高熵碳化物陶瓷（也称多组元碳化物陶瓷）既继承了高熵材料因成分复杂而产生的特殊性能的优势，又保留了过渡金属碳化物陶瓷作为超高温陶瓷（UHTC）的优点，如熔点高、高温稳定性好、杨氏模量高、硬度高等，因此多组元碳化物陶瓷在航空航天、核工业、机械、冶金等领域有着十分广阔的应用前景。然而，目前对多组元碳化物陶瓷的研究大多集中在等摩尔单相陶瓷上，许多体系很难形成单相的多组元碳化物陶瓷。而某种金属元素的添加或去除可能会影响单相的形成。因此，多组元碳化物陶瓷的相将随着某种金属元素的连续变化而转变，进而显著影响力学性能。同时，对于非等摩尔比多组元碳化物陶瓷而言，金属元素的组合几乎是无限的，这极大地拓宽了材料的成分设计和性能调控的空间。因此，探究金属元素含量的变化引起的相转变具有十分重要的意义。

2、文章亮点

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本研究采用放电等离子烧结技术（SPS）在2200℃制备了一系列不同V含量的(TiZrV_xNb)C_0.8陶瓷。本文详细研究了V含量对相组成、微观结构演变和力学性能的影响。通过V含量的调控实现了从单相到富相的转变，有效地改善了陶瓷的综合力学性能。同时，在单相到复相变化的临界状态下，发现了由原位相分解形成的具有半共格界面的纳米片状结构，这在多组元碳化物陶瓷的研究中为首次报道。具有较高位错和应变密度的半共格界面、晶粒细化以及复相的形成对材料的力学性能改善具有显著影响。这项研究为多组元碳化物陶瓷提供了一种从单相到复相的调控方法，有望获得优异的力学性能，这可能是多组元或高熵陶瓷的一个潜在发展方向。

3、研究结果及结论

V含量的增加诱导了单复相的转变。随着V含量的增加，在(TiZrV_0.15Nb)C_0.8中首次观察到部分晶粒中存在相分解现象，这可以视为发生相转变的临界点。这一结果与计算的相图一致，计算的相图显示，在温度为2200℃时，发生相转变的V含量临界点为0.17。此外，(TiZrV_0.15Nb)C_0.8热处理后发生了更加显著的相分解，该结果表明相分解在热力学上是自发进行的。

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图1. 2200℃烧结的(TiZrV_xNb)C_0.8样品的扫描照片

计算结果表明，随着V含量的增加，整个体系的晶格畸变和混合焓值增大，说明V含量的增加不利于(TiZrV_xNb)C体系形成单相固溶体。这也是V含量增加引起单相到复相的转变的重要原因。

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图2. 通过热力学软件FactSage^® 7.1计算得到的(TiZrV_xNb)C_0.8体系的相图

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图3. (TiZrV_xNb)C_0.8样品的晶格畸变和混合焓

(TiZrV_0.15Nb)C_0.8样品中相分解产生的纳米层状结构表现出相同的晶粒取向。其完整的晶界表明相分解产生的富Zr相和贫Zr相继承了母相的晶粒取向。此外，相分解区域的应变明显高于其他单相区域。随着V含量的增加，该系统更倾向于形成两个碳化物相。(TiZrV_0.₂₀Nb)C_0.8样品中仍然存在部分具有相同取向的层状结构。但当V含量进一步增加到25mol.%时，富Zr相与贫Zr相之间几乎不存在取向关系，晶格中的应变也随之消失。

相分解区的应变可以归因于半共格界面处的刃型位错的存在，它可以调节富Zr相与贫Zr相之间的晶格失配，使半共格界面得以维持。除了两相界面外，在晶粒内部也可以明显观察到位错。高的位错密度和应变集中可以抑制位错的生长和滑移，从而有效提高硬度。在富Zr相与贫Zr相的界面处可以清晰地观察到位错塞积现象。这些硬化机制也适用于晶粒更加细小且存在半共格界面的(TiZrV_0.₂₀Nb)C_0.8样品。(TiZrV_0.₂₀Nb)C_0.8样品表现出了最佳的综合性能，其硬度为26.3 GPa、强度为369 MPa、断裂韧性为3.1 MPa·m^1/2。力学性能的提高可以归因于晶粒细化、高位错密度以及高应变集中的半共格界面的综合作用。

该结果表明，通过调控金属元素实现单复相转变可以获得综合力学性能更好的非等摩尔比多组元碳化物陶瓷。复相多组元碳化物陶瓷在硬度和强度方面具有明显的优势。该工作为多组元碳化物陶瓷的微观结构演变设计、力学性能优化提供了新思路。

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图4. 2200℃烧结的(TiZrV_0.15Nb)C_0.8样品的TEM分析，表明富Zr相与贫Zr相存在取向一致的半共格界面，界面处存在大量的刃型位错，并出现位错塞积现象。

4、作者及研究团队简介

陈磊（通讯作者）

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哈尔滨工业大学材料科学与工程学院副研究员、博士生导师。针对航空航天、核能和特种金属冶炼等极端环境对超高温、抗辐照、耐腐蚀材料迫切需求，长期开展极端环境用新型陶瓷/金属陶瓷材料创制、数据驱动材料智能设计(机器学习)、超高温陶瓷强韧化、碳化物陶瓷抗辐照、耐腐蚀等基础和应用研究。主持国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金、国家部委科技重点实验室基金、中国博士后基金等项目10余项，作为骨干成员参与国家重点研发项目、国家自然科学基金重点项目等国家重点科研项目。在超高温陶瓷的低温致密化与强韧化、多组元碳化物固溶体制备与性能调控、陶瓷抗辐照、耐腐蚀、抗热冲击、抗磨损等研究方向上获省部级科技奖励一、二等奖共3项，授权国家发明专利20余项，发表学术论文70余篇，参与撰写专著1部。

霍思嘉（通讯作者）

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哈尔滨工业大学助理教授/讲师，硕导。主要研究方向为超高温极端苛刻环境用硼化物-碳化物复相陶瓷的反应烧结及综合性能评价，在复相陶瓷高熵化、低温致密化与强韧化、组织结构精细表征、力-热-氧化多场耦合下材料失效分析等方面开展了系统研究。主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后面上资助、省博士后一等资助等6项；骨干参与自然基金面上及重点、国家重点研发计划等9项。相关研究成果发表在J. Adv. Ceram., J. Mater. Sci. Technol., J. Eur. Ceram. Soc., J. Am. Ceram. Soc.等国际知名刊物上30余篇，获授权申请国家发明专利7项。