CN100489487C - 三元硅化物高温原位氧化的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种三元硅化物高温原位氧化的检测方法，属于用于材料高温氧化测试领域。本发明将钻有圆孔并且测量了表面积的三元硅化物材料试样用烧至恒重的铂铑丝悬挂，与试样相连的铂铑丝的一端伸入高温炉膛中间位置，铂铑丝的另一端处于炉膛外面与镍铬丝相连，镍铬丝悬挂于棉线下，棉线固定在电子天平底座的挂钩上，电子天平与计算机用数据线相连，试样在高温炉中随炉加热，当温度上升到540℃时，试样开始氧化，试样的质量发生变化，与电子天平相连的计算机连续记录试样的质量变化，根据该变化反映试样的抗氧化性。本发明试验方法易行，试验装置简单，不仅可用于原位氧化，还可用于循环氧化，非常直观方便的测试高温材料三元硅化物材料的高温抗氧化能力。

Description

三元硅化物高温原位氧化的检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于材料高温氧化测试领域的检测方法，具体是一种三元硅化物高温原位氧化的检测方法。

背景技术

硅化物材料以其高的熔点、相对低的密度、好的高温蠕变强度以及优异的高温抗氧化性而成为最有前途的高温结构候选材料之一，目前三元硅化物材料(如Mo-Si-B、Mo-Nb-Si等)的抗氧化性能的研究在国外迅速发展并成为热点，研究结果已有大量报道。为表征三元硅化物的高温抗氧化性能，实验采用的温度一般较高(>1000℃)，用于三元硅化物材料的高温抗氧化性的检测方法主要有：(1)高温循环氧化法，将试样暴露在大气环境、炉温达到测试温度的高温炉中，每隔一段时间，将试样取出称重，把所得的单位面积重量随时间的变化绘制成曲线，即得循环氧化动力学曲线，高温循环氧化法由于试验设备简单容易实现，它的主要缺点是不能反映升温时的质量变化规律以及不能连续记录试样质量变化。(2)高温原位氧化法，主要采用热重技术，包括温度程序控制与记录系统、高灵敏度电子天平与自动绘图系统；在给定温度与气氛中，连续测定试样单位面积的质量变化与时间的函数关系，即恒温氧化动力学曲线。高温原位氧化法由于用于高温(>1000℃)的热重分析仪价格昂贵而受到限制。这两种方法都可以根据材料在氧化过程中的质量变化绘制氧化动力学曲线。

经对现有技术文献的检索发现，N.Nomura等在《Intermetallics》(金属间化合物，2003，Vol.11，735～742)上发表的“Microstructure and oxidationresistance of a plasma sprayed Mo-Si-B multiphase alloy coating”(一种等离子喷涂Mo-Si-B多相合金涂层的显微组织和抗氧化性)论文中，使用热重分析仪(型号为Netzsch STA409C)测量在不同温度下涂层重量随时间的变化，比较研究了Mo-Si-B合金的高温抗氧化性能。考虑到Netzsch STA409C热重分析仪价格昂贵；而且用此热重分析仪只能做原位氧化实验，不能用于循环氧化实验，因此采用这种方法测试时，受测量仪器的影响因素较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足和局限性，提供一种三元硅化物高温原位氧化的检测方法，使其通过连续记录三元硅化物材料在不同温度下单位面积重量改变随时间的变化，根据该变化就可以反映材料高温抗氧化性能，此方法具有简单易行、适用于高温条件下工作的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，将钻有圆孔并且精确地测量表面积的三元硅化物材料试样用烧至恒重的铂铑丝悬挂，与试样相连的铂铑丝的一端伸入高温炉膛中间位置，铂铑丝的另一端处于炉膛外面与镍铬丝相连，镍铬丝悬挂于棉线下，棉线固定在电子天平底座的挂钩上，电子天平与计算机用数据线相连。试样在高温炉中随炉加热，当温度上升到540℃时，试样开始氧化，试样的质量发生变化，与电子天平相连的计算机可以连续记录试样的质量变化，根据该变化就可以反映试样的抗氧化性。

所述的三元硅化物材料试样，采用线切割呈13mm×4mm×1.5mm或者呈φ9mm×1.5mm的薄片，薄片边角处采用电火花钻0.8mm直径的孔，将试样磨光，清洗后吹干，精确地测量试样的表面积。

所述的铂铑丝，其直径为0.5mm的铂铑丝。

所述的抗氧化性，通过原位氧化动力学曲线的表示，具体是将计算机记录的试样质量变化除以试样表面积，从而得到单位面积的质量变化随时间的函数关系，从而反映出试样的抗氧化性。

本发明的优点在于克服了三元硅化物材料现有高温氧化测试技术的局限性。试验方法易行，试验装置简单，不仅可以用于原位氧化，还可以用于循环氧化(采用同样试验装置，实验试样不系于悬挂丝上，而直接放在刚玉坩埚里随炉膛加热，间隔一定时间取出后在天平的称盘上称量即可实现循环氧化)，具有一物多效之功能。对于三元硅化物材料研究单位来说，采用本发明方法，不仅可以克服一些新型技术装备所带来的测试仪器要求高、设备成本高、人员技术要求高等缺点，而且可以利用现有的一些相关测量装置，稍加改造，非常直观方便的测试高温材料三元硅化物材料的高温抗氧化能力。本发明还可以推广到其它氧化速率较低，氧化时间较短的各种材料领域。

附图说明

图1本发明实施例所用装置结构示意图；

图2.Mo-10Si-14B三元硅化物试样(经1800℃/2h真空退火或V＝10mm/h定向凝固)在1200℃连续氧化动力学曲线

图3.Mo-10Si-14B三元硅化物试样(经1800℃/2h真空退火或V＝10mm/h定向凝固)在1200℃的循环氧化动力学曲线

图4.Mo-12.5Si-25B和Mo-14Si-28B三元硅化物试样(经1800℃/2h真空退火)在1200℃的原位氧化动力学曲线

图5.Mo-12.5Si-25B和Mo-14Si-28B三元硅化物试样(经1800℃/2h真空退火)在1200℃的循环氧化动力学曲线

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。本发明实现步骤如下：(1)试样准备：将三元硅化物材料试样线切割呈13mm×4mm×1.5mm或者呈φ9mm×1.5mm的薄片，薄片边角处采用电火花钻0.8mm直径的孔，将试样磨光，清洗后吹干，精确地测量试样的表面积。(2)氧化实验的准备：将试样悬挂在烧至恒重的直径为0.5mm的铂铑丝下面，调整整个丝的下垂度，让试样处于炉膛中部位置。调整天平的水银球使其处于中间位置，对天平进行校准、清零。大气环境下，开动高温炉同时让记录试样质量变化的计算机程序运行。(3)采用原位氧化动力学曲线反映出试样的抗氧化性：将计算机程序记录的试样质量变化除以试样表面积，从而得到单位面积的质量变化随时间的函数关系。

应用本发明考核了应用前景为航空发动机涡轮机叶片的Mo-Si-B三元硅化物材料在高温下的原位氧化行为，目的是为了检验不同成分的Mo-Si-B三元硅化物材料在升温过程中的重量改变行为，以及在等温氧化过程中的抗氧化性，并且与循环氧化行为作了比较，显示了循环氧化与原位氧化动力学曲线的异同。

Mo-10Si-14B、Mo-12.5Si-25B和Mo-14Si-28B三元硅化物是通过真空电弧熔炼+真空退火及定向凝固制备的。其中Mo、Si、B的纯度分别为99.9％、99.9999％和99.9％。原料的配比是按原子百分比计算的。将Mo-10Si-14B经电弧熔炼出的纽扣锭进行1800℃/2h的真空退火以及将纽扣锭进行定向凝固(V＝10mm/h)。将Mo-12.5Si-25B和Mo-14Si-28B经电弧熔炼出的纽扣锭进行1800℃/2h的真空退火。将定向凝固的材料垂直于生长方向线切割呈φ9mm×1.5mm的试样；将真空退火得到的材料线切割呈13mm×4mm×1.5mm的试样。试样边角处采用电火花钻0.8mm直径的孔，用于原位氧化实验的试样用金相砂纸将试样表面磨光，先用丙酮清洗，再用酒精清洗试样表面，在空气中用热风机烘干。所有用于氧化实验的试样在做氧化实验之前都将精确地测量表面积，以用于氧化重量改变的计算。通过图1所示的实验装置，其中高温电阻炉1、试样2、铂铑丝3、角铁4、铁凳5、镍铬丝6、细棉线7、塑料防震片8、电子天平9、有机玻璃罩10、数据线11、计算机12，将钻有圆孔的试样悬挂在烧至恒重的直径为0.5mm的铂铑丝下面，调整整个丝的下垂度，让试样处于炉膛中部位置。调整天平的水银球使其处于中间位置，对天平进行校准、清零。大气环境下，开动高温炉同时让记录试样质量变化的计算机程序运行。计算机记录试样的质量变化，根据质量改变绘制原位氧化动力学曲线。通过原位氧化动力学曲线以及与循环氧化动力学曲线的比较，就可以判断三种成分的材料的抗氧化性(图2～图5)以及在氧化初期的质量变化规律及达到稳定状态的难易程度。

根据图2可以看出，Mo-10Si-14B试样在1200℃连续氧化时，退火态试样的质量减少小于定向凝固态试样，而且退火态试样更容易达到质量变化的稳定状态，退火态试样在2h达到稳定状态，定向凝固试样在3.5h后达到稳定状态，说明退火态试样具有更好的抗氧化性。

根据图3可以看出，Mo-10Si-14B试样在1200℃循环氧化时，退火态试样的质量减少依然小于定向凝固态试样，退火态试样在5h后达到稳定状态，而定向凝固试样在100h之内也未能达到稳定状态，对比循环氧化动力学曲线与原位氧化动力学曲线，说明原位氧化更容易达到稳定状态。

根据图4可以看出，在1200℃连续氧化时，Mo-14Si-28B退火态试样的质量减少小于Mo-12.5Si-25B退火态试样，Mo-14Si-28B试样氧化5h之后达到稳定状态，Mo-12.5Si-25B试样氧化7h后达到稳定状态，说明Mo-14Si-28B试样比Mo-12.5Si-25B试样具有更好的抗氧化性。

根据图5可以看出，在1200℃循环氧化时，Mo-14Si-28B退火态试样的质量减少依然小于Mo-12.5Si-25B退火态试样，两试样在100h之内均未能达到稳定状态。所有原位氧化的升温时间均为70分钟，原位氧化时试样随炉升温；所有循环氧化均是炉温达到1200℃将试样放入和取出。

综合以上动力学曲线可以看出，对于所有试样来说，用于原位氧化的试样在升温过程中质量均发生明显减少，原位氧化与循环氧化的试样质量变化规律相似，原位氧化比循环氧化更容易达到稳定状态。

Claims (4)

1.一种三元硅化物高温原位氧化的检测方法，其特征在于：将钻有圆孔并且测量了表面积的三元硅化物材料试样用烧至恒重的铂铑丝悬挂，与试样相连的铂铑丝的一端伸入高温炉膛中间位置，铂铑丝的另一端处于炉膛外面与镍铬丝相连，镍铬丝悬挂于棉线下，棉线固定在电子天平底座的挂钩上，电子天平与计算机用数据线相连，试样在高温炉中随炉加热，当温度上升到540℃时，试样开始氧化，试样的质量发生变化，与电子天平相连的计算机连续记录试样的质量变化，根据该变化反映试样的抗氧化性；

所述的抗氧化性，通过原位氧化动力学曲线的表示，具体是将计算机记录的试样质量变化除以试样表面积，从而得到单位面积的质量变化随时间的函数关系，从而反映出试样的抗氧化性。

2.根据权利要求1所述的三元硅化物高温原位氧化的检测方法，其特征是，所述的三元硅化物材料试样，采用线切割呈13mm×4mm×1.5mm或者呈φ9mm×1.5mm的薄片，薄片边角处采用电火花钻0.8mm直径的孔，将试样磨光，清洗后吹干，测量试样的表面积。

3.根据权利要求1或者2所述的三元硅化物高温原位氧化的检测方法，其特征是，所述的三元硅化物材料试样，选用Mo-Si-B三元硅化物材料。

4.根据权利要求1所述的三元硅化物高温原位氧化的检测方法，其特征是，所述的铂铑丝，其直径为0.5mm的铂铑丝。

Images