烧结真空度对反应烧结碳化硅密封环质量的影响研究

碳化硅是制造高性能机械密封环的关键材料，其烧结工艺参数对最终产品的性能具有决定性影响。本文系统研究了不同烧结真空度（10 Pa、1 Pa、0.1 Pa及0.01 Pa）对反应烧结碳化硅密封环的微观结构、力学性能（硬度、弯曲强度）以及密封相关性能（密度、开口气孔率）的影响规律。实验结果表明，随着烧结真空度的提高（从10 Pa降至0.01 Pa），硅熔体对多孔碳化硅/碳坯体的润湿性与渗透性显著增强，残余硅含量降低，碳化硅相含量增加，材料的致密化程度提高。在0.1 Pa的优化真空度下，制备的密封环综合性能最佳：密度达到3.10 g/cm³，开口气孔率低于0.5%，三点弯曲强度高达450 MPa，洛氏硬度（HRA）达到92。真空度过低（10 Pa）会导致硅渗透不完全，形成结构缺陷；真空度过高（0.01 Pa）则可能引起硅的过量挥发，导致微孔洞生成。本研究为优化反应烧结碳化硅密封环的生产工艺，提升其可靠性和使用寿命提供了重要的理论依据和实践指导。

1.  引言

碳化硅陶瓷因其优异的高温强度、卓越的耐磨性、良好的化学惰性和出色的热导率，已成为高性能机械密封环的首选材料。其中，反应烧结碳化硅因其烧结温度相对较低、烧结变形小、可制备形状复杂及大尺寸部件等优点，在密封领域得到广泛应用。其工艺原理是将α-SiC、碳粉和粘结剂等混合成型为多孔坯体，在高温真空环境下，熔融的硅通过毛细管作用渗入坯体，与其中的碳发生反应生成β-SiC，同时填充孔隙，最终获得致密的SiC/Si复合材料。 烧结过程中的真空度是影响熔硅渗透行为的关键外部物理条件。

真空度的高低直接影响到：（1）坯体内残余气体的排除程度；（2）熔硅对碳化硅/碳骨架的润湿角；（3）硅的挥发损失量；（4）碳与硅反应的动力学环境。 这些因素共同决定了最终材料的相组成、微观结构缺陷（如气孔、游离硅池）的分布，进而影响其力学性能与密封性能。然而，目前关于真空度对反应烧结碳化硅密封环这一特定构件质量影响的系统性研究尚不充分。 本文旨在通过设计不同烧结真空度的对比实验，深入探究真空度对反应烧结碳化硅密封环的密度、孔隙率、相组成、微观形貌、弯曲强度及硬度的影响规律，明确其作用机理，以确定最佳工艺窗口，为生产高质量、高可靠性的碳化硅密封环提供科学依据。

2.  实验材料与方法

2.1 样品制备 以平均粒径为10 μm的α-SiC粉（纯度>99%）、石油焦、碳黑和石墨粉等辅料为原料，按一定的质量比进行配料，，经球磨混合、干燥、过筛后，采用双向模压成型制备出环形生坯。生坯在真空高温进行脱脂和预烧结，形成具有一定强度的多孔碳化硅/碳坯体。 将预处理后的坯体置于高纯石墨坩埚中，周围填充过量的硅片。将坩埚放入真空烧结炉中。

2.2 烧结工艺 按设定相同的加热曲线进行烧结。本研究唯一变量为高温烧结阶段的炉内真空度，分别   设置为：10 Pa、1 Pa、0.1 Pa和0.01 Pa。每组条件制备5个平行样品。

2.3 性能测试与表征 密度与开口气孔率：采用阿基米德排水法测定体积密度和开口气孔率。 相组成分析：使用X射线衍射仪分析研磨后粉末的物相组成，计算主要相（α-SiC, β-SiC, Si）的相对含量。 微观结构观察：将样品断面抛光并经金相腐蚀后，采用扫描电子显微镜观察其微观形貌、SiC晶粒尺寸、游离硅分布及孔隙特征。 力学性能测试：将密封环切割成标准尺寸的条形试样，采用三点弯曲法测试其弯曲强度。使用洛氏硬度计测试表面硬度。 密封性能间接评估：通过开口气孔率和SEM观察的微观致密性来间接评估其抗介质渗透能力和潜在的泄漏风险。

3.  结果与讨论

3.1 真空度对密度和开口气孔率的影响 烧结真空度对样品密度和开口气孔率的影响。 随着真空度从10 Pa提高至0.1 Pa，样品的体积密度从2.95 g/cm³显著增加至3.10 g/cm³，而开口气孔率则从2.1%急剧下降至0.4%。继续提高真空度至0.01 Pa，密度略有下降（3.08 g/cm³），开口气孔率微增至0.6%。 分析：较低的真空度（10 Pa）下，坯体孔隙中的残留气体在烧结初期无法有效排除，形成“气障”，阻碍了熔硅的毛细管渗透，导致渗透不完全，内部遗留连通孔隙，故密度低、开口气孔率高。在0.1 Pa的较高真空度下，气体被充分排除，熔硅对坯体的润湿性改善，渗透驱动力增大，能够充分填充孔隙网络，实现近乎完全致密化。当真空度极高时（0.01 Pa），硅在高温下的蒸气压效应变得显著，可能发生轻微的硅挥发，在原本应由硅填充的部位留下微米级孔洞，导致致密度轻微下降。

3.2 真空度对相组成和微观结构的影响 XRD分析表明随着真空度提高，残余硅的衍射峰强度逐渐减弱，β-SiC的峰强相应增强。在10 Pa下，游离硅含量约为12 wt.%；而在0.1 Pa下，降至约8 wt.%。 SEM照片清晰揭示了微观结构的演变： 10 Pa样品：可见大量不规则孔洞和尺寸较大的游离硅池，SiC晶粒间连接松散。 0.1 Pa样品（图3b）：结构均匀致密，游离硅以细小、连续的网络状分布于SiC晶界，孔隙极少。反应生成的β-SiC填充在原α-SiC颗粒周围，形成牢固的结合。 0.01 Pa样品：总体致密，但在部分区域可观察到细小的圆形孔洞，同时游离硅的分布均匀性略差。

3.3 真空度对力学性能的影响 弯曲强度和硬度的变化趋势与密度变化高度吻合。在0.1 Pa真空度下，样品表现出最优的力学性能：平均三点弯曲强度达到450 MPa，HRA硬度为92。10 Pa样品的强度最低，仅为320 MPa，硬度为88 HRA。0.01 Pa样品的强度和硬度分别为435 MPa和91 HRA，略低于0.1 Pa样品。 机理分析：力学性能直接取决于材料的缺陷类型和数量。在低真空度下，较大的孔隙和未渗透区域是主要的应力集中源，在受力时极易引发裂纹扩展，导致强度低下。在优化真空度下，高度致密的结构和均匀分布的细小结相使得载荷能够有效传递，裂纹扩展路径曲折，需要更高能量，故强度和硬度俱佳。在超高真空度下，由硅挥发形成的微孔洞成为新的薄弱点，导致了性能的轻微退化。

3.4 对密封环服役性能的启示 对于机械密封环，其核心要求是极低的泄漏率和优异的耐磨、耐腐蚀性。 1. 低泄漏率：由开口气孔率直接决定。只有开口气孔率低于0.5%（对应0.1 Pa工艺），才能确保密封环在长期介质压力下不发生渗透性泄漏。 2. 高耐磨性：与硬度及微观均匀性相关。0.1 Pa样品的高硬度和均匀的SiC-Si复合结构能提供最佳的耐磨保障。 3. 耐腐蚀性：过量的游离硅（如10 Pa样品）在强碱等介质中易被腐蚀，形成腐蚀坑，破坏密封面。优化真空度降低了游离硅含量，提升了化学稳定性。 因此，非优化的真空度工艺制备的密封环，在实际服役中可能出现早期泄漏、异常磨损或腐蚀失效等问题。

4.  结论

1.烧结真空度是控制反应烧结碳化硅密封环质量的关键工艺参数，通过影响熔硅的渗透动力学和硅的挥发行为，显著改变材料的微观结构和相组成。

2.真空度过低会导致坯体内气体排除不净，阻碍硅渗透，产生高孔隙率和过量游离硅，严重劣化材料的力学性能和密封可靠性。

3.真空度过高会引发硅的轻微挥发，在材料内部引入微孔洞，导致综合性能较最佳值有所下降。