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三元层状YAl3C3超高温氧化机理及超高温热稳定性研究

批准号:
52101091
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
赵国瑞
依托单位:
学科分类:
金属材料使役行为与表面工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵国瑞

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
新型三元层状YAl3C3具有优异的高温力学性能、高温抗氧化性能及超高温热稳定性,是极具潜力的单相即具备抗超高温氧化能力的材料。然而,目前关于其超高温氧化机理和超高温失稳机制等科学问题尚不清楚。本项目拟采用感应加热超高温测试平台,系统研究YAl3C3的超高温(1600-2000oC)氧化行为和超高温(2200-2600oC)热稳定性,分析YAl3C3氧化过程中介质传输的微观过程以及氧分压和氧化膜的相变对其成分和微观结构的影响规律,揭示氧化膜的生长机制和超高温氧化机理,探讨YAl3C3在超高温下的失稳机制,建立YAl3C3超高温氧化机理、失稳机制共同的晶体学基础。本项目研究可深化对YAl3C3及这类新型三元层状稀土碳化物(ReAl3C3)结构与性能关系的认识,同时对发展新型单相抗超高温氧化材料体系具有重要的借鉴意义。
英文摘要
Ternary layered YAl3C3 has excellent high temperature mechanical properties, high temperature oxidation resistance and ultra-high temperature thermal stability. YAl3C3 is expected to be a single-phase material with ultra-high temperature oxidation resistance. However, it is still unclear about its ultra-high temperature oxidation mechanism and ultra-high temperature instability mechanism. This project plans to use induction heating ultra-high temperature test equipment to systematically study the ultra-high temperature (1600-2000oC) oxidation behavior and ultra-high temperature (2200-2600oC) thermal stability of YAl3C3. These studies will understand the microscopic process of medium transmission, the influence of oxygen partial pressure and phase change of oxide film on the composition and microstructure of oxide film in the oxidation process of YAl3C3, as well as its instability mechanism at ultra-high temperature. This study will establish a common crystallographic basis for oxidation mechanism and instability mechanism of YAl3C3 at ultra-high temperature. These studies are of great significance for further understanding the relationship between structure and properties of YAl3C3 and these novel ternary layered rare earth carbides. At the same time, it also has important reference significance for the design and discovery of other novel single-phase ultra-high temperature oxidation resistant materials.
以ZrC为代表的二元过渡金属碳化物具有诸多优良的性能,如高的熔点、硬度、模量,以及高的化学惰性。然而较差的抗氧化性能,极大的限制了这类材料的广泛应用。因此,发展具有抗超高温氧化能力的新型单相超高温材料是该领域亟待解决的核心问题。我们的前期研究发现,YAl3C3有望成为单组分即具备抗超高温氧化能力的新型材料。为了评价YAl3C3作为抗超高温氧化材料的可行性,本项目对其开展了系统的研究。采用原位反应热压法成功地制备出高纯度块体YAl3C3陶瓷,发现YAl3C3陶瓷具有出色的高温刚性,表明它是一种理想的高温结构材料。抗氧化性能方面,YAl3C3陶瓷具有较好的抗氧化性能,其在900-1000°C时氧化动力学遵守抛物线规律,在较高温度时则转变为线性规律,但在1300°C的线性速率常数却较1200°C反常下降。在1500°C长时氧化后,YAl3C3的氧化动力学大致遵循抛物线定律,氧化层呈现三层结构,主要由外层混合的Y3Al5O12和Al2O3组成,以及由于界面氧分压的调节而形成的具有周期分布的Y3Al5O12和Y3Al5O12+Al2O3亚层的中间层状结构,以及内层富含碳的非晶层。为了提升YAl3C3陶瓷在1600oC的抗长时超高温氧化性能,以Y、Gd、Dy、Ho、Er稀土单质粉末和Al粉、C粉为原料,采用原位反应热压法制备了高纯度、高密度、高均匀性的新型高熵层状陶瓷REAl3C3(HE(5RE1/5)Al3C3),其中RE为Y、Gd、Dy、Ho、Er,确定其晶体结构为六方晶系(P63/mmc)。HE(5RE1/5)在1500℃时的杨氏模量为283GPa,约为室温时的83%。与YAl3C3相比,HE(5RE1/5)Al3C3具有较高的德拜温度(921K)和较高的初始氧化温度(980oC)。氧化动力学研究表明,在1100oC氧化仍为抛物线规律,而YAl3C3早已转变为直线规律。在1500oC氧化20小时后,HE(5RE1/5)Al3C3的氧化动力学仍为抛物线规律,形成的氧化膜平整致密,为高熵RE3Al5O12和Al2O3的混合相,五种稀土元素在氧化膜中分布均匀,具有较好的抗氧化性能。因此HE(5RE1/5)Al3C3是一种具有发展前景的抗长时超高温氧化单相超高温结构材料。本项目的研究深化了对YAl3C3及这类新型三元层状稀土碳化物(REAl3C3)结构与性能关系的认识,同时对设计
高熵REAl3C3抗长时超高温氧化机理与熵效应的构效关系研究
  • 批准号:
    52571090
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50.00万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    赵国瑞
  • 依托单位:
国内基金
海外基金