碳化硼顆粒級配對硅反應(yīng)結(jié)合碳化硼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響

夏乾, 孫是昊, 趙義亮, 張翠萍, 茹紅強, 王偉, 岳新艷

碳化硼顆粒級配對硅反應(yīng)結(jié)合碳化硼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響

夏乾, 孫是昊, 趙義亮, 張翠萍, 茹紅強, 王偉, 岳新艷

(東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 材料各向異性與織構(gòu)教育部重點實驗室, 沈陽 110819)

本研究探討了碳化硼原料顆粒尺寸對反應(yīng)結(jié)合碳化硼復(fù)合材料相組成、結(jié)構(gòu)與性能的影響。研究結(jié)果表明:顆粒級配可以使粉體堆積更加密實, 有效提高壓制坯體的體積密度, 最終降低復(fù)合材料中游離Si的含量; 加入粗顆?？蓽p緩B4C與Si的反應(yīng), 減少SiC相的生成; 當(dāng)原料中粒徑為3.5、14、28、45 μm的B4C粉體按質(zhì)量比為1.5 : 4 : 1.5 : 3配比時, 所制備的復(fù)合材料維氏硬度、抗彎強度、斷裂韌性和體積密度分別為(29±5) GPa、(320±32) MPa、(3.9±0.2) MPa·m1/2和2.51 g/cm3。在制備復(fù)合材料過程中減緩B4C與Si反應(yīng)速度、減少游離Si的含量和縮小Si區(qū)域尺寸是其性能升高的主要原因。

反應(yīng)結(jié)合碳化硼; 熔滲Si; 顆粒級配; 顯微組織; 力學(xué)性能

碳化硼(B4C)陶瓷以其超高硬度、低密度、耐磨損、耐腐蝕和中子吸收性好等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍工、航空和核能等領(lǐng)域[1-6]。但碳化硼的共價鍵鍵能高、晶界擴散阻力大, 制備高致密度的燒結(jié)體十分困難。目前, 碳化硼陶瓷材料的燒結(jié)方法主要有無壓燒結(jié)、熱壓/熱等靜壓燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)[7-15], 但這些燒結(jié)方法對設(shè)備的要求比較高, 能耗大, 并且難以制備形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。采用反應(yīng)燒結(jié)法制備碳化硼復(fù)合材料則具有諸多優(yōu)點, 如燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短、燒結(jié)前后制品無收縮等; 但反應(yīng)燒結(jié)法制備的碳化硼復(fù)合材料含有大量殘余硅, 導(dǎo)致材料性能下降。此外, 以B4C細(xì)粉為原料, 不僅成本較高, 并且與Si反應(yīng)嚴(yán)重, 導(dǎo)致材料性能下降, 限制了該方法的應(yīng)用與推廣, 該方面的研究未見更詳細(xì)的報道。因此, 本研究采用顆粒級配的方法, 在細(xì)B4C粉體中加入粗顆粒的B4C, 形成顆粒級配, 研究原料B4C顆粒級配配方對坯體密度和反應(yīng)結(jié)合碳化硼(RBBC)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能的影響, 為制備高性能碳化硼復(fù)合材料提供理論依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 制備材料

采用六種不同粒徑的B4C粉體和單質(zhì)Si塊為主要原料。六種B4C粉體的中位粒徑分別為3.5、14、28、45、70和120 μm, 純度為93%。以無水乙醇為介質(zhì), 采用機械攪拌法制備12組不同配方的顆粒級配粉體, 具體配方如表1所示。以聚乙烯醇水溶液為粘結(jié)劑對各組顆粒級配粉體進行造粒, 采用WE-10A型液壓式萬能試驗機, 在200 MPa、保壓10 s的條件下將造粒粉單向壓制成坯體。采用自制的石墨真空爐, 在1500 ℃、真空度為200 Pa的條件下對坯體直接熔滲Si, 保溫時間為30 min, 最終制得反應(yīng)結(jié)合碳化硼復(fù)合材料。

1.2 表征與測試

采用振實密度儀測量顆粒級配粉體的振實密度;采用配有能譜儀(EDS)的掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-7001F)研究復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu); 采用Smartlab(9)型X射線衍射儀(XRD)分析材料的相組成; 采用Image Pro Plus圖像分析軟件分析復(fù)合材料的相含量; 采用401MVD數(shù)顯顯微維氏硬度計測定材料的維氏硬度(載荷5 N, 帶載停留10 s); 采用阿基米德排水法測定材料的體積密度和開口氣孔率; 利用AG-Xplus 100 kN型電子萬能試驗機, 分別采用三點彎曲法和單邊切口梁法測定材料的抗彎強度和斷裂韌性(測量10個樣品取其平均值)。

表1 B4C原料粉體的顆粒級配配方(%, 質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒級配對粉體振實密度的影響

不同顆粒級配配方B4C原料粉體的振實密度如圖1所示。顆粒級配的原料粉體振實密度最低為1.44 g/cm3(第3組), 最高為1.68 g/cm3(第11組), 較50=3.5 μm的單一粒徑粉體(第1組), 其振實密度分別提高了33.3%和55.6%。此結(jié)果充分說明顆粒級配可以使粉體堆積更加密實。

圖1 不同顆粒級配配方B4C粉體的振實密度

Groups chosen for further characterization

2.2 顆粒級配對坯體密度的影響

根據(jù)振實密度的實驗結(jié)果, 優(yōu)選第1、2、10、11、12五組粉體配方(其中第1組和第12組為單一粒徑的對照組, 第2、10、11三組為顆粒級配粉體中振實密度最高的三組), 分別編號為R1、R2、R10、R11、R12, 對粉體進行壓坯、滲Si燒結(jié), 進一步探究原料顆粒尺寸對坯體密度和復(fù)合材料組織與性能的影響。不同級配配方坯體的體積密度和開口氣孔率如圖2所示。

由圖2可以看出, 采用顆粒級配粉體所制備坯體的密度(R2、R10和R11)均高于采用單一粒徑粉體所制備坯體的密度(R1、R12), 這是由于粉體形狀不規(guī)則, 在壓力作用下單一粒徑的粉體易產(chǎn)生架橋效應(yīng)[16], 粉體顆粒難以最密堆積, 導(dǎo)致采用單一粒徑粉體所制備的坯體密度低于采用顆粒級配粉體所制備的坯體密度。

此外, 結(jié)合圖1和圖2可知, 對于顆粒級配的粉體(R2、R10和R11), 坯體的體積密度隨著原料粉體振實密度的增大而增大。

2.3 顆粒級配對RBBC復(fù)合材料物相的影響

圖3是不同級配配方RBBC復(fù)合材料的XRD圖譜。以3.5 μm單一粒徑B4C粉體為原料的R1組復(fù)合材料, 其相組成為B12(C,Si,B)3、SiC和Si, 復(fù)合材料中未檢測到原料B4C的衍射峰(圖3(b)), 說明在滲Si過程中, 原料B4C完全與Si反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)锽12(C,Si,B)3相, 該反應(yīng)如式(1)所示[17]:

圖2 不同顆粒級配配方坯體的體積密度和開口氣孔率

3B4C(s)+Si(l)→B12(C,Si,B)3(s)+SiC(s)(1)

原料中含有粗B4C粉體的R10、R11和R12三組復(fù)合材料中仍保留了部分原料B4C相(圖3(b))。由圖3(b)可知, 復(fù)合材料中B4C衍射峰的強度隨原料粉體中粗顆粒粒徑增大和含量增大而增強, 而SiC衍射峰的強度則呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(圖3(c)), 表明原料B4C粒徑越大, B4C與Si的反應(yīng)消耗越少, 相應(yīng)所生成SiC的量也越少。

2.4 顆粒級配對RBBC復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)的影響

圖4為R2組復(fù)合材料的SEM照片及不同區(qū)域的EDS成分分析結(jié)果。結(jié)合XRD分析結(jié)果可知, 圖4中黑色區(qū)域(2、3、4)為B4C相和B12(C,Si,B)3相的混合區(qū), 灰色區(qū)域(1)為SiC相, 白色區(qū)域(5)為以Si為主的Si-SiC混合區(qū)。

值得注意的是, 根據(jù)EDS分析結(jié)果可知, B4C小顆粒已完全轉(zhuǎn)化為B12(C,Si,B)3三元相(點4); B4C大顆粒表層部分也轉(zhuǎn)化為B12(C,Si,B)3相(點3), 而顆粒芯部仍為B4C相, 并未轉(zhuǎn)變?yōu)槿?點2), B4C大顆粒形成了核–殼結(jié)構(gòu)。此外, 在R2組復(fù)合材料的XRD圖譜中, 并未發(fā)現(xiàn)B4C相的衍射峰(圖3(b)), 可能是因為該組材料中, B4C相的含量較低, 低于XRD可以檢測的最低值。

B4C顆粒的核–殼結(jié)構(gòu)由Hayun等[18]首次提出。該核–殼結(jié)構(gòu)的形成主要基于以下兩種不同的機理: (1)Hayun等[18]認(rèn)為該結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生主要基于溶解–沉淀機理, 即在熔滲反應(yīng)過程中, 部分B4C顆粒溶解于熔融Si中, 當(dāng)熔融Si中B原子與C原子濃度達到飽和時, 在B4C顆粒表面析出富含Si與B的B12(C,Si,B)3殼層; (2)Wang等[19]在B4C顆粒的殼結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)存在-SiC, 他們認(rèn)為B12(C,Si,B)3殼結(jié)構(gòu)是由Si原子向B4C的晶格中擴散形成的。在冷卻過程中, Si在B4C中的溶解度降低, 沉淀后形成了殼結(jié)構(gòu)中的-SiC, 并沿特定的晶面分布。

圖3 不同顆粒級配配方RBBC復(fù)合材料的XRD圖譜

(a) XRD patterns of RBBC composites; (b) Diffraction peaks of B4C; (c) Diffraction peaks of SiC

圖4 R2組復(fù)合材料的SEM照片及對應(yīng)區(qū)域EDS成分分析(%, 原子分?jǐn)?shù))

圖5 不同顆粒級配配方RBBC復(fù)合材料的SEM照片

(a) R1; (b) R2; (c) R10; (d) R11; (e) R12

圖5為不同級配配方RBBC復(fù)合材料的SEM背散射圖像。對比圖5(b～d)可知, R2組復(fù)合材料結(jié)構(gòu)更均勻, 沒有明顯的大顆粒聚集或細(xì)顆粒團聚, 說明該組顆粒級配配方具有一定的優(yōu)越性; 此外, 對比圖5(d, e)可知, 進行顆粒級配的R11中未出現(xiàn)單一粒徑的R12中大面積Si區(qū)域, 這是因為細(xì)顆粒B4C填充在大顆粒B4C所形成的孔隙中并均勻分散在Si區(qū)域內(nèi)。由此可知, 顆粒級配能夠縮小Si區(qū)域的尺寸, 使其分布更均勻。

實驗還對復(fù)合材料的相組成進行了定量分析。首先, 通過理論計算復(fù)合材料的相組成(假設(shè)B4C與Si未發(fā)生反應(yīng)), 結(jié)果如表2所示, 并使用Image Pro Plus圖像分析軟件分析各組復(fù)合材料SEM照片的相組成, 結(jié)果見表2。結(jié)合圖5與表2可以看出, 隨原料粉體中粗顆粒B4C粒徑增大和含量增加, 反應(yīng)生成SiC的含量逐漸減小, 導(dǎo)致SiC衍射峰的強度隨粗顆粒B4C粒徑增大和含量增加呈現(xiàn)降低的趨勢(圖3(c))。此外, 從圖5和表2中還可以看出, 顆粒級配的復(fù)合材料(R2、R10、R11)中游離Si的含量低于以單一粒徑粉體為原料制備的復(fù)合材料(R1、R12)。

表2 不同顆粒級配配方RBBC復(fù)合材料的相組成(體積分?jǐn)?shù))

2.5 顆粒級配對RBBC復(fù)合材料致密度的影響

表3為不同級配配方RBBC復(fù)合材料的體積密度和開口氣孔率。各組復(fù)合材料的開口氣孔率均在0.3%以下, 復(fù)合材料均較致密。

此外, 結(jié)合表3與圖2可知, R1組坯體密度與R12組相當(dāng), 但R1組復(fù)合材料的體積密度為2.50 g/cm3, 高于R12組復(fù)合材料的2.47 g/cm3(表3), 這是由于原料為細(xì)顆粒的R1組復(fù)合材料中B4C與Si反應(yīng)生成的SiC要多于原料為粗顆粒的R12組復(fù)合材料 (圖3(c)), 而SiC的密度(3.2 g/cm3)高于Si(2.3 g/cm3)和B4C(2.52 g/cm3), 從而使R1組復(fù)合材料的體積密度增大。這說明, 以粗顆粒B4C為原料可以減緩B4C與Si的反應(yīng), 減少反應(yīng)生成SiC的量, 從而降低材料的體積密度。

表3 不同顆粒級配配方RBBC復(fù)合材料的開口氣孔率和體積密度

2.6 顆粒級配對RBBC復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.6.1 RBBC復(fù)合材料的維氏硬度

不同級配配方RBBC復(fù)合材料的維氏硬度如圖6所示。由圖6可知, 顆粒級配配方對復(fù)合材料的維氏硬度有明顯的影響, 隨顆粒級配配方中大尺寸碳化硼顆粒含量的增加, 復(fù)合材料硬度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢, 這是由于影響復(fù)合材料硬度的因素主要有氣孔率、顆粒尺寸和相組成。B4C顆粒級配是通過改變陶瓷復(fù)合材料的氣孔率、顆粒尺寸和相組成來影響復(fù)合材料的硬度。

實驗制備的RBBC復(fù)合材料均較致密, 其開口氣孔率為0.16%～0.26%, 因此, RBBC復(fù)合材料的硬度主要受顆粒尺寸和相組成的影響。顆粒越細(xì)小, 材料中界面越多[20], 在硬度測試中, 同樣面積的壓痕下界面的總面積越大。然而在陶瓷材料中界面通常為薄弱帶, 其抵抗變形的能力差, 因而晶粒越細(xì)小, 材料的硬度越小[21]。R1、R2、R10和R11中細(xì)顆粒B4C的含量逐漸減少(表1), 導(dǎo)致復(fù)合材料的硬度值逐漸升高。此外, R1、R2、R10和R11的坯體密度逐漸升高(如圖2), 復(fù)合材料中B4C相的含量也依次升高(如表2), 而B4C的硬度高于SiC相和游離Si相[22](Si : 10 GPa, B4C : 35 GPa, SiC : 27～ 30 GPa), 因而材料的維氏硬度逐漸升高。而R12組材料坯體密度低、孔隙率高, 導(dǎo)致制備的復(fù)合材料中游離Si的含量高于顆粒級配的三組(表2), 導(dǎo)致該組復(fù)合材料硬度反而更低。

圖6 不同顆粒級配配方RBBC復(fù)合材料的維氏硬度

由此可見, 通過顆粒級配可以提高復(fù)合材料中B4C相的含量, 降低游離Si的含量, 同時提高復(fù)合材料中大尺寸B4C顆粒的含量, 從而提高復(fù)合材料的維氏硬度。

2.6.2 RBBC復(fù)合材料的抗彎強度

不同級配配方RBBC復(fù)合材料的抗彎強度如圖7所示。復(fù)合材料的抗彎強度隨著粗顆粒含量的增加而顯著降低。

圖7 不同顆粒級配配方RBBC復(fù)合材料的抗彎強度

影響陶瓷材料抗彎強度的主要因素有兩個: 晶粒尺寸和氣孔率。在本實驗中, 5組RBBC復(fù)合材料的氣孔率都在0.3%以下, 復(fù)合材料均較致密, 因而氣孔率對材料抗彎強度的影響不明顯。

在RBBC復(fù)合材料中, 因各相熱膨脹系數(shù)不匹配, 在冷卻過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會導(dǎo)致復(fù)合材料的薄弱界面處出現(xiàn)微裂紋, 裂紋的尺寸與復(fù)合材料中晶粒尺寸相當(dāng)[23]。材料的抗彎強度與材料中缺陷尺寸的關(guān)系如式(2)所示:

式中,IC為材料的斷裂韌性;為材料的裂紋缺陷尺寸;為K-校準(zhǔn)系數(shù)。

故隨顆粒級配配方中粗顆粒尺寸增大和含量增加, 復(fù)合材料中碳化硼粗顆粒尺寸增大、含量增加, 游離Si區(qū)域的尺寸也更大, 產(chǎn)生的裂紋也越大, 從而降低復(fù)合材料的抗彎強度。

2.6.3 RBBC復(fù)合材料的斷裂韌性

不同級配配方RBBC復(fù)合材料的斷裂韌性如圖8所示。RBBC復(fù)合材料的斷裂韌性隨原料中粗顆粒B4C的粒徑增大和含量增加而降低。

圖8 不同顆粒級配配方RBBC復(fù)合材料的斷裂韌性

斷裂韌性取決于單位面積的裂紋在增殖時所釋放的應(yīng)變能[21]。裂紋擴展時通常沿著晶界或相界等薄弱處, 穿過的晶粒數(shù)量由平均晶粒尺寸決定[24], 晶粒越細(xì)小, 裂紋擴展時穿過的晶粒數(shù)量越多, 斷裂時裂紋擴展的路徑越長, 所釋放的應(yīng)變能越大, 對應(yīng)的斷裂韌性就越高[3]。在RBBC復(fù)合材料中, B4C的平均晶粒尺寸越小, 游離Si區(qū)的平均尺寸也越小,相界面的面積則越大, 裂紋擴展路徑越曲折, 因而斷裂韌性越高。

3 結(jié)論

1)通過顆粒級配的方法可以使粉體堆積得更加密實, 避免架橋效應(yīng), 從而有效提高壓制坯體的密度, 降低復(fù)合材料中游離Si的含量。顆粒級配坯體的密度均高于單一粒徑坯體的密度。

2)以3.5 μm單一粒徑B4C粉體為原料制備的RBBC復(fù)合材料, 其相組成為B12(C,Si,B)3、SiC和Si, 原料B4C完全與Si反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)锽12(C,Si,B)3相; 原料中含有粗顆粒B4C的RBBC復(fù)合材料仍保留了部分原料B4C相。隨原料中粗顆粒B4C粒徑增大和含量增加，復(fù)合材料中生成SiC的含量減少；粗顆粒B4C的外部轉(zhuǎn)變?yōu)锽12(C,Si,B)3相，芯部仍為未反應(yīng)的B4C相，形成核–殼結(jié)構(gòu)。

3)隨著原料中粗顆粒B4C粒徑增大和含量增加, RBBC復(fù)合材料的抗彎強度和斷裂韌性逐漸降低; 通過顆粒級配可以有效提高復(fù)合材料的維氏硬度。當(dāng)原料中粒徑為3.5、14、28和45 μm的B4C粉體按質(zhì)量比為1.5∶4∶1.5∶3配比時, 制備的復(fù)合材料綜合性能最佳, 其維氏硬度、抗彎強度、斷裂韌性和體積密度分別為(29±5) GPa、(320±32) MPa、(3.9±0.2) MPa·m1/2和2.51 g/cm3。復(fù)合材料中B4C與Si反應(yīng)減緩、游離Si含量減少及Si區(qū)尺寸縮小是其性能升高的主要原因。

[1] SONG Q, ZHANG Z H, HU Z Y,. Microstructure and mechanical properties of super-hard B4C ceramic fabricated by spark plasma sintering with (Ti3SiC2+Si) as sintering aid., 2019, 45(7): 8790–8797.

[2] MASHHADI M, TAHERI N E, SGLAVO V M. Pressureless sintering of boron carbide., 2010, 36(1): 151–159.

[3] ZHANG X, ZHANG Z, YANG S,. Preparation, microstructure and toughening mechanism of superhard ultrafine grained boron carbide ceramics with outstanding fracture toughness., 2018, 762: 125–132.

[4] CHEN M, YIN Z, YUAN J,Microstructure and properties of a graphene platelets toughened boron carbide composite ceramic by spark plasma sintering., 2018, 44(13): 15370–15377.

[5] LEE H, SPEYER R F. Pressureless sintering of boron carbide., 2003, 86(9): 1468–1473.

[6] DOMNICH V, REYNAUD S, HABER R A,. Boron carbide: structure, properties, and stability under stress., 2011, 94(11): 3605–3628.

[7] PEREVISLOV S N, SHCHERBAK P V, TOMKOVICH M V. High density boron carbide ceramics., 2018, 59(1): 32–36.

[8] MOSHTAGHIOUM B M, CUMBRERA-HERNANDEZ F L, GóMEZ-GARCíA D,. Effect of spark plasma sintering parameters on microstructure and room-temperature hardness and toughness of fine-grained boron carbide (B4C)., 2013, 33(2): 361–369.

[9] HAYUN S, PARIS V, DARIEL M P,. Static and dynamic mechanical properties of boron carbide processed by spark plasma sintering., 2009, 29(16): 3395–3400.

[10] MA L N, XIE K Y, TOKSOY M F,. The effect of Si on the microstructure and mechanical properties of spark plasma sintered boron carbide., 2017, 134: 274–278.

[11] WU J, BO N, FAN Z,. Effect of titanium diboride on the homogeneity of boron carbide ceramic by flash spark plasma sin-tering., 2018, 44(13): 15323–15330.

[12] ZHANG M, LI R, YUAN T,. Effect of low-melting-point sintering aid on densification mechanisms of boron carbide during spark plasma sintering., 2019, 163: 34–39.

[13] LIU Z T, DENG X G, LI J M,. Effects of B4C particle size on the microstructures and mechanical properties of hot-pressed B4C- TiB2composites., 2018, 44(17): 21415–21420.

[14] SWAB J J, PITTARI J J, GAMBLE W R. Uniaxial tensile strength and fracture analysis of a hot-pressed boron carbide., 2019,39(6): 1965–1973.

[15] ZHANG M, LI R, YUAN T,. Densification and properties of B4C-based ceramics with CrMnFeCoNi high entropy alloy as a sin-tering aid by spark plasma sintering., 2019, 343: 58–67.

[16] 阮建明, 黃培云. 粉末冶金原理. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2012: 158.

[17] SUN M Y, BAI Y H, LI M X,.toughened two-phase B12(C,Si,B)3-SiC ceramics fabricatedliquid silicon infiltration., 2019, 102(4): 2094–2103.

[18] HAYUN S, FRAGE N, DARIEL M P. The morphology of ceramic phases in BC-SiC-Si infiltrated composites., 2006, 179(9): 2875–2879.

[19] WANG T, NI C, KARANDIKAR P. Microstructure characteristics of reaction-bonded B4C/SiC composite., 2016: 279–286

[20] WILHELM M, WERDENICH S, WRUSS W. Influence of resin content and compaction pressure on the mechanical properties of SiC-Si composites with sub-micron SiC microstructures., 2001, 21(7): 981–990.

[21] BARICK P, JANA D C, THIYAGARAJAN N. Effect of particle size on the mechanical properties of reaction bonded boron carbide ceramics., 2013, 39(1): 763–770.

[22] HAYUN S, WEIZMANN A, DARIEL M P,The effect of particle size distribution on the microstructure and the mechanical properties of boron carbide-based reaction-bonded composites., 2009, 6(4): 492–500.

[23] BARSOUM M W. Fundamentals of ceramics, 1st edition. New York: Mc. Grow-Hill Book Inc, 1997: 319–326.

[24] CHAKRABARTI O P, GHOSH S, MUKHERJEE J. Influence of grain size, free silicon content and temperature on the strength and toughness of reaction-bonded silicon carbide., 1994, 20: 283–286.

Effect of Boron Carbide Particle Size Distribution on the Microstructure and Properties of Reaction Bonded Boron Carbide Ceramic Composites by Silicon Infiltration

XIA Qian, SUN Shihao, ZHAO Yiliang, ZHANG Cuiping, RU Hongqiang, WANG Wei, YUE Xinyan

(Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials of Ministry of Education, School of Materials Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Effect of particle size of boron carbide raw material on the phase composition, microstructure and properties of reaction bonded boron carbide composites was investigated. It was found that particle gradation can make the powder packing more compact and effectively improve the volume density of green body, decreasing the content of free Si in the composites. Addition of coarse particles can reduce the reaction between B4C and Si, which can generate SiC phase. When the weight ratio of B4C powders with different particle sizes (3.5, 14, 28, 45 μm) is 1.5 : 4 : 1.5 : 3, the Vickers hardness, flexure strength, fracture toughness and volume density of the composites are (29±5) GPa, (320±32) MPa, (3.9±0.2) MPa·m1/2and 2.51g/cm3, respectively. The retard of reaction between B4C and Si, and the decrease of free Si content along with the shrinkage of size of Si zone in the composites, are the main reasons for the improvement of the composite mechanical properties.

reaction bonded boron carbide; Si infiltration; particle size distribution; microstructure; mechanical properties

1000-324X(2022)06-0636-07

10.15541/jim20210452

TB333

A

2021-07-15;

2021-08-19;

2021-09-27

遼寧省自然科學(xué)基金(2019-MS-126); 國家自然科學(xué)基金(51772048); 裝備預(yù)先研究項目(41422010905, 41422010903); 國家重點研發(fā)計劃(2017YFB0310300)

Natural Science Foundation of Liaoning Province (2019-MS-126); National Natural Science Foundation of China (51772048); Equipment Pre Research Project (41422010905, 41422010903); National Key R&D Program of China (2017YFB0310300)

夏乾(1995–), 男, 博士研究生. E-mail: 1910177@stu.neu.edu.cn

XIA Qian (1995–), male, PhD candidate. E-mail: 1910177@stu.neu.edu.cn

張翠萍, 講師. E-mail: zhangcp@smm.neu.edu.cn; 茹紅強, 教授. E-mail: ruhq@smm.neu.edu.cn

ZHANG Cuiping, lecturer. E-mail: zhangcp@smm.neu.edu.cn; RU Hongqiang, professor. E-mail: ruhq@smm.neu.edu.cn