專利名稱：：二硅化鉬基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，主要涉及一種以二硅化鉬為基體，Si3N4顆粒和SiC晶須為強(qiáng)化相的高溫結(jié)構(gòu)材料及制備方法。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)代航空航天技術(shù)的發(fā)展，對發(fā)動機(jī)等關(guān)鍵部件用高溫結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求——更高的強(qiáng)度和工作溫度(大于120(TC)以及較低的密度。目前廣泛應(yīng)用的航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)材料一一鎳基高溫合金的最高使用溫度為115(TC，己接近其熔點(diǎn)的90%，幾乎沒有再提升的空間，雖然以Y-TiAl為代表的鈦鋁金屬間化合物已經(jīng)作為高溫結(jié)構(gòu)材料在航空工業(yè)中得到應(yīng)用，但其最高工作溫度為900-IOOO'C，尚無法超過鎳基高溫合金，難以滿足未來高性能燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的要求。近十年來，具有更高熔點(diǎn)的難熔金屬硅化物成為高溫結(jié)構(gòu)材料用金屬間化合物領(lǐng)域研究的最新熱點(diǎn)，如MoSi2、WSi2、Mo5Si3、TisSi3和NbsSi3等，其中Mo-Si系金屬間化合物以其較好的綜合性能，成為最具開發(fā)前景的下一代高溫結(jié)構(gòu)材料。MoSi2以其較高的熔點(diǎn)(2030°C)、優(yōu)異的抗氧化能力、適中的密度和優(yōu)良的熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，已成為極具發(fā)展?jié)摿Φ母邷亟Y(jié)構(gòu)材料。20世紀(jì)40年代末，美國研究了MoS:U基材料的高溫機(jī)械性能，探討了用它作高溫結(jié)構(gòu)材料的可能性。50年代，瑞典、德國和奧地利等研究用MoSi2基材料制作電爐的發(fā)熱元件。70年代初，美國將MoSi2基涂層用于燃汽輪機(jī)部件的保護(hù)獲得成功。80年代以來，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室、日本東北大學(xué)的金屬材料研究所和德國的馬克斯普朗克研究所等著名研究機(jī)構(gòu)投入大量的人力與物力，開展MoSi2基高溫結(jié)構(gòu)材料及其應(yīng)用的研究，使其再次成為高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)MoSi2作為高溫結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用需解決兩個方面的問題一是它的室溫韌性和高溫強(qiáng)度不足，尤其是高溫抗蠕變性能需要進(jìn)一步改善；二是它在450-550。C時(shí)會發(fā)生"pest"氧化。因此，從高溫結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的角度，必須采用強(qiáng)韌化的技術(shù)，同時(shí)改善其室溫韌性和高溫強(qiáng)度；并提高抗氧化能力，避免"pest"氧化發(fā)生。目前，針對MoSi2的強(qiáng)韌化開展了大量的研究工作，主要方法是合金化和復(fù)合化。合金化對MoSi2材料的斷裂韌性提高有一定的局限，因此復(fù)合化的研究有重要意義。復(fù)合化強(qiáng)化相一般是選擇一種氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等陶瓷顆粒、晶須或纖維，目前同時(shí)選擇兩種強(qiáng)化相的研究工作也日漸增多。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種斷裂韌性好，抗彎強(qiáng)度高，不發(fā)生"pest"氧化的二硅化鉬基復(fù)合高溫結(jié)構(gòu)材料提及其制備方法。本發(fā)明提供的二硅化鉬基復(fù)合高溫結(jié)構(gòu)材料，其原料以MoSi2為基體，添加Si3隊(duì)顆粒和SiC晶須為強(qiáng)韌化相。SisN4顆粒和SiC晶須含量分別占材料的1030vol%，Si3Ht顆粒和SiC晶須的總含量占材料的2050vol%，MoSi2為余量。Si3N4顆粒粒徑小于2um，SiC晶須直徑小于0.5um，且其長徑比必須大于10:1。為制備該復(fù)合高溫結(jié)構(gòu)材料，本發(fā)明通過以下步驟實(shí)施的(1)將Si3N4顆粒含量為1030vol%，Si3N4顆粒和SiC晶須的總含量為2050voiy。的二硅化鉬混合粉末放入球磨罐中，加入酒精，以球料比l:l10:l球磨混料824小時(shí)。(2)將球磨后的混合粉末干燥，過200目篩。(3)將過篩之后的混合粉末放入高純石墨熱壓磨具中，放入熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)。具體工藝為以1525°C/min的升溫速率加熱到10001300°C，再以515。C的升溫速度加熱到16001800°C，保溫3060min，然后隨爐冷卻。期間所加壓力為2025MPa。爐內(nèi)氣氛為非氧化性氣氛，即真空或惰性氣氛。本發(fā)明的特點(diǎn)是以高溫?zé)岱€(wěn)定性良好、強(qiáng)度高、與基體化學(xué)相容性好的的S:UN4顆粒SiC晶須作為其復(fù)合強(qiáng)韌化相，可以起到細(xì)化晶粒，增加強(qiáng)度和斷裂韌性的效果。其中Si美顆粒高溫時(shí)產(chǎn)生的Si20N保護(hù)性薄膜可以大幅提高其抗氧化能力。雖然Si3N4顆粒SiC晶須與基體的熱膨脹系數(shù)相差較大，但是其粒徑和直徑很小，可以克服這以缺點(diǎn)。如上所述，本發(fā)明通過上述的工藝制造了抗彎強(qiáng)度高，斷裂韌性好，耐熱性能好的復(fù)合高溫結(jié)構(gòu)材料。本發(fā)明的特征在于加入Si3隊(duì)顆粒SiC晶須作為其復(fù)合強(qiáng)韌化相以細(xì)化晶粒，增強(qiáng)增韌，最終得到性能優(yōu)良的二硅化鉬基復(fù)合高溫結(jié)構(gòu)材料。圖l是熱壓工藝圖。下面通過具體的實(shí)施例和比較例來說明本發(fā)明的顯著進(jìn)步。具體實(shí)施例方式實(shí)施例l二硅化鉬基復(fù)合高溫結(jié)構(gòu)材料，其原料以MoSi2為基體，添加Si3N4顆粒和SiC晶須為強(qiáng)韌化相，起到細(xì)化晶粒，增強(qiáng)增韌，以及提高抗氧化性能的作用。其中Si3N4顆粒含量占材料的為1030vol%，S"N4顆粒和SiC晶須的總含量占材料的2050vol%。本發(fā)明是通過以下步驟實(shí)施的(1)將Si3N4顆粒含量為1030vol%，S:UN4顆粒和SiC晶須的總含量為2050voiy。的二硅化鉬混合粉末放入球磨罐中，加入酒精，以球料比l:l10:l球磨混料824小時(shí)。(2)將球磨后的混合粉末干燥，過200目篩。(3)將過篩之后的混合粉末放入石墨熱壓磨具中，放入熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)。具體工藝為以1525°C/min的升溫速率加熱到10001300。C，再以515。C的升溫速度加熱到16001800°C，保溫3060min，然后隨爐冷卻。期間所加壓力為2025MPa。表1為實(shí)施例和比較例的基本特征。表l實(shí)施例和比較例的基本特征<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>注B代表比較例，S代表實(shí)施例。制備出Bl，Sl，S2，S3,S4，S5之后，比較其晶粒度，常溫力學(xué)性能和耐熱性能，結(jié)果如表24所示。表2實(shí)施例和比較例的晶粒度比較<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>從表2中可以看出，加入Si3N4顆粒和SiC晶須的試樣晶粒度大大減小，并且加入的強(qiáng)化相越多，晶粒越細(xì)小。通過顯微結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，彌散的強(qiáng)化相將MoSi2"分割"成細(xì)小的島狀，可見細(xì)小強(qiáng)化相的加入阻礙了MoSi2晶粒的長大從而使晶粒細(xì)化。細(xì)晶強(qiáng)化是重要的強(qiáng)化機(jī)制，同時(shí)晶粒晶化也是提高韌性的重要途徑。表3實(shí)施例和比較例的力學(xué)性能比較<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>從表3中可以明顯看出，加入強(qiáng)化相的試樣力學(xué)性能有了大幅提高。其中，抗彎強(qiáng)度最高提高了70%。這是因?yàn)閺浬?qiáng)化相促進(jìn)晶粒的細(xì)化，強(qiáng)度隨之上升，同時(shí)，彌散的強(qiáng)化相起到了第二相彌散強(qiáng)化的作用。強(qiáng)化相的加入對試樣的韌性提高顯著。通過S1S5試樣斷口的觀察發(fā)現(xiàn)，其斷裂方式由純MoSi2的穿晶斷裂轉(zhuǎn)化為穿晶斷裂與沿晶斷裂共存，并且存在的強(qiáng)化相顆粒拔出現(xiàn)象；觀察試樣表面裂紋的走向，可以發(fā)現(xiàn)裂紋偏轉(zhuǎn)和切過強(qiáng)化相粒子的現(xiàn)象。這說明1)晶粒細(xì)化一定程度上改變了斷裂方式，提高了韌性;2)裂紋切割強(qiáng)化相粒子，降低能量，裂紋遇到強(qiáng)化相偏轉(zhuǎn)則延長了斷裂途徑，降低了裂紋尖端應(yīng)力；3)顆粒拔出和晶須的橋聯(lián)作用對消耗斷裂能有很大作用，提高了韌性。強(qiáng)化相有一定的提高硬度的作用。材料的耐磨損性能由材料的硬度和斷裂韌性共同決定，因此，本材料還具有作為耐磨材料的潛力。表4實(shí)施例和比較例的耐熱性能<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表5可以看出，添加單一強(qiáng)化相的B2，B3試樣抗彎強(qiáng)度與斷裂韌性與添加Si3N4顆粒和SiC晶須復(fù)合強(qiáng)化相的S2S5有較大的差距，這說明顆粒與晶須復(fù)合強(qiáng)化想有較明顯的提高強(qiáng)度和韌性的效果。從B4與S5的比較可以看出，強(qiáng)化相的含量達(dá)到60voiy。時(shí)，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性大幅下降。這是因?yàn)镾i具和SiC的熱膨脹系數(shù)與MoSi2差距較大，當(dāng)強(qiáng)化相的兩達(dá)到一個臨界點(diǎn)時(shí)，因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)不匹配引起的負(fù)面作用就顯現(xiàn)出來。另外，強(qiáng)化相中不可避免的存在的脆性雜質(zhì)也導(dǎo)致了力學(xué)性能的下降。權(quán)利要求1.一種二硅化鉬基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，以MoSi2為基體，其特征是Si3N4顆粒和SiC晶須含量分別占材料的10～30vol％，Si3N4顆粒和SiC晶須的總含量占材料的20～50vol％，MoSi2為余量。2、按照權(quán)利要求1所述的二硅化鉬基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其原料特征是-Si3N4顆粒粒徑小于2um，SiC晶須直徑小于0.5Um，且其長徑比必須大于10:1。3、一種制備如權(quán)利要求1所述二硅化鉬基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的方法，其特征是包括以下步驟-(1)將Si3N4顆粒含量為1040vol%，SisN4顆粒和SiC晶須的總含量為2050vol。/。的二硅化鉬混合粉末放入球磨罐中，加入酒精，以球料比l:110:l球磨混料824小時(shí)；(2)將球磨后的混合粉末干燥，過200目篩；(3)將過篩之后的混合粉末放入石墨熱壓磨具中，放入熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，具體工藝為以1525°C/min的升溫速率加熱到10001300。C，再以515。C的升溫速度加熱到16001800°C，保溫3060min，然后隨爐冷卻，所加壓力為2025MPa。4、按照權(quán)利要求3所述的二硅化鉬基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于熱壓燒結(jié)時(shí)的氣氛為真空或惰性氣氛。全文摘要本發(fā)明公開了一種以MoSi₂為基體，以Si₃N₄顆粒和SiC晶須為強(qiáng)化相的高溫結(jié)構(gòu)材料及制備工藝。本發(fā)明是將體積分?jǐn)?shù)為20～50vol％的Si₃N₄顆粒和SiC晶須的混合強(qiáng)化相添加到MoSi₂粉末中，在1500～1700℃條件下熱壓30～45分鐘制成MoSi₂-Si₃N₄/SiC復(fù)合高溫結(jié)構(gòu)材料?；旌蠌?qiáng)韌化相的添加抑制了燒結(jié)時(shí)MoSi₂晶粒的長大，同時(shí)Si₃N₄和SiC的裂紋反射，使材料的的強(qiáng)度和韌性得到提高。Si₃N₄和SiC能起“錨住”晶粒的、抑制SiO₂玻璃相生成的作用，使材料的高溫抗蠕變性能得到提高。本發(fā)明克服了以往二硅化鉬材料室溫下易斷，高溫抗蠕變性能差的缺點(diǎn)，提供了一種制備二硅化鉬復(fù)合高溫結(jié)構(gòu)材料的方法。文檔編號C04B35/81GK101284734SQ200810031358公開日2008年10月15日申請日期2008年5月22日優(yōu)先權(quán)日2008年5月22日發(fā)明者周宏明,易丹青,柳公器,肖來榮申請人:中南大學(xué)