Hf-baserade karbider är mycket önskvärda kandidater för termiska skyddstillämpningar över 2 000°C på grund av deras extremt höga smältpunkt och gynnsamma mekaniska egenskaper. Men som en avgörande indikator för sammansättningsdesign och prestandabedömning har det statiska oxidationsbeteendet hos Hf-baserade karbider vid deras potentiella driftstemperaturer sällan studerats.
I en studie publicerad i tidskriften Advanced Powder Materials , avslöjade en grupp forskare från Central South University och China Academy of Launch Vehicle Technology den statiska oxidationsmekanismen för (Hf, Ti)C-bulks vid 2 500°C, såväl som effekten av Ti-substitutioner på deras oxidationsbeteende.
"Tillägget av Ti-element kan göra mikrostrukturen av HfC-oxidlagret mer komplex", förklarade Shiyan Chen, huvudförfattare till studien. "Typiskt har ett sådant sammansatt oxidskikt bättre skyddande egenskaper."
Tjockleken av oxidskiktet på ytan av (Hf, Ti)C reducerades med 62,29 % jämfört med den på HfC-monokarbidytan efter oxidation vid 2 500°C under 2 000 s. Den dramatiska förbättringen av oxidationsbeständigheten tillskrevs den unika oxidskiktsstrukturen bestående av olika kristallina oxikarbider, HfO2 och kol.
"Den Ti-rika oxikarbiden ((Ti, Hf)Cx Oy ) spridda inom HfO2 bildade oxidskiktets huvudstruktur. En koherent gräns med gitterförvrängning fanns vid HfO2 / (Ti, Hf)Cx Oy gränssnitt längs (111) kristallplanets riktning, vilket fungerade som en effektiv syrediffusionsbarriär", tillade Chen.
Den Hf-rika oxikarbiden ((Hf, Ti)Cx Oy ) tillsammans med (Ti, Hf)Cx Oy , HfO2 och utfällt kol utgjorde ett tätt övergångsskikt, vilket säkerställde gynnsam bindning mellan oxidskiktet och matrisen. Vidare påverkar Ti-innehållet diffusionen av kol i (Hf, Ti)C-gitter och fördelningen av Ti-rik oxikarbid, vilket ytterligare kommer att bestämma den strukturella integriteten hos oxidskiktet. Baserat på resultaten av oxidationskinetiken ger 30 %–40 at % Ti-substitution den bästa förbättringen av oxidationsbeständigheten.
Enligt professor Zhaoke Chen, co-lead och motsvarande författare, representerar denna studie en ny utforskning inom området för ultrahög temperatur keramik (UHTC). "Vår studie förbättrar förståelsen av den strukturella utvecklingen under ultrahög temperaturoxidation. Resultaten ger teoretisk vägledning för att optimera sammansättningen av UHTC för att bredda deras applikationer vid ultrahöga temperaturer", säger Chen.
Mer information: Shiyan Chen et al, Insikt i effekten av Ti-substitutioner på det statiska oxidationsbeteendet hos (Hf,Ti)C vid 2500°C, Avancerade pulvermaterial (2023). DOI:10.1016/j.apmate.2023.100168
Tillhandahålls av KeAi Communications Co.
