Nb-Ti-Zr-Nb₅Si₃復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種Nb?Ti?Zr?Nb5Si3復(fù)合材料，由以下質(zhì)量百分比的原料制成：Ti 5％～15％，Zr 3％～8％，Nb5Si325％～55％，余量為Nb。本發(fā)明還提供了一種制備該復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：一、按質(zhì)量百分比稱取各原料，然后將所稱取的原料球磨混合均勻，在真空條件下烘干后，得到混合粉末；二、壓制成型，得到坯料；三、將坯料裝入殼體中，抽真空后密封殼體；四、熱等靜壓燒結(jié)，得到Nb?Ti?Zr?Nb5Si3復(fù)合材料。本發(fā)明復(fù)合材料具有高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
【專利說明】
Nb-T i -Zr-Nb5S i 3復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[000?]本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料及其制備 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] Nb-Si系復(fù)合材料具有密度低、熔點高、高溫強度高和較好的抗氧化性能被認為是 最有開發(fā)應(yīng)用前景的下一代超高溫結(jié)構(gòu)材料之一。目前制備Nb-Si系復(fù)合材料的方法主要 有:鑄造法、真空自耗電弧熔煉法、電子束熔煉法、粉末冶金技術(shù)等。采用這些方法制備的 Nb-Si系復(fù)合材料微觀組織由Nbss、Nb5Si3和大量的Nb3Si組成。Nb 3Si熔點較低、室溫和高溫 力學(xué)性能差、并且不穩(wěn)定，導(dǎo)致了Nb-Si系復(fù)合材料力學(xué)性能和抗氧化性能下降，降低了材 料的可靠性。另外，Nb-Si系復(fù)合材料的室溫斷裂韌性、高溫力學(xué)性能和抗氧化性能也沒有 達到良好的平衡，因此不能在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料。該復(fù)合材料的室溫斷裂韌性為15MPa · mV2~30MPa · mV2;1300°C壓縮強度 為765MPa~1065MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為0.06mg/cm 2~0.12mg/cm2,具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料， 其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的原料制成：Ti 5%~15%，Zr 3%~8%，Nb5Si3 25%~ 55%，余量為Nb。
[0005] 上述的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的原料制成:Ti 8%~13%，Zr 4.5%~8%，Nb5Si3 35%~55%，余量為Nb。
[0006] 上述的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的原料制成:Ti 10%，Zr 5%，Nb5Si3 35%，余量為Nb。
[0007] 上述的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料，其特征在于，所述Ti、Zr、Nb5Si 3和Nb均為粉狀 原料，其中Ti粉和Nb5Si3粉的粒度均不大于5ym，Zr粉的粒徑不大于6ym，Nb粉的粒徑不大于8 μηι〇
[0008] 上述的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料，其特征在于，所述Ti粉、Zr粉和Nb 5Si3粉的質(zhì)量 純度均不小于99%，所述Nb粉的質(zhì)量純度不小于99.9%。
[0009] 另外，本發(fā)明還提供了 一種制備上述Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料的方法，其特征在 于，該方法包括以下步驟：
[0010] 步驟一、按質(zhì)量百分比稱取各原料，然后將所稱取的原料球磨混合均勻，在真空條 件下烘干后，得到混合粉末；
[0011] 步驟二、采用液壓機將步驟一中所述混合粉末壓制成型，得到坯料；
[0012] 步驟三、將步驟二中所述坯料裝入殼體中，抽真空后密封殼體；
[0013] 步驟四、將步驟三中密封于殼體內(nèi)的坯料裝入熱等靜壓爐中，在溫度為1450°C~ 1550°C，壓力為150MPa~250MPa的條件下熱等靜壓燒結(jié)lh~2h，自然冷卻后脫除殼體，得到 Nb-Ti-Zr-Nb5Si3 復(fù)合材料。
[0014] 上述的方法，其特征在于，步驟一中所述球磨的類型為濕法球磨，所述濕法球磨的 過程中采用無水乙醇為分散劑，所述無水乙醇的用量為原料總體積的0.5~1倍。
[0015] 上述的方法，其特征在于，步驟一中所述球磨的設(shè)備為行星式球磨機，球料質(zhì)量比 為（10~20): 1，球磨速率為300rpm~500rpm，球磨時間為10h~30h。
[0016] 上述的方法，其特征在于，步驟一中所述烘干的溫度為90°C~100°C。
[0017] 上述的方法，其特征在于，步驟四中所述殼體為空心圓柱形結(jié)構(gòu)，所述殼體的外徑 為100mm，所述殼體的高度為100mm;所述殼體的材質(zhì)為純鈦。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0019] 1、本發(fā)明采用機械合金化和熱等靜壓法制備Nb-Si系復(fù)合材料，這種方法具有周 期短和制備的材料致密度高等優(yōu)點。該方法以鈮粉、鋯粉、鈦粉和Nb 5Si3粉為原料，完全避免 了在材料制備過程中生成不穩(wěn)定的Nb3Si相，從而提高了材料的高溫力學(xué)性能和使用的可 靠性。添加鈦粉能夠提高Nb-Ti-Zr-Nb 5Si3復(fù)合材料的室溫斷裂韌性，同時改善了材料的抗 氧化性能;將鋯粉引入到Nb-Ti-Zr-Nb 5Si3復(fù)合材料中，顯著提高了Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材 料的高溫抗氧化性能。
[0020] 2、采用本發(fā)明的方法制備的Nb-τ i -Zr-Nb5 S i 3復(fù)合材料微觀組織由Nb s S相和金屬 間化合物Nb5Si3相組成。采用本發(fā)明的方法制備的Nb-Ti-Zr-Nb 5Si3復(fù)合材料由鈮固溶體 (Nbss)相和金屬間化合物Nb5Si 3相組成。室溫斷裂韌性為15MPa · m1/2~30MPa · m1/2;1300°C 壓縮強度為765MPa~1065MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為0.06mg/cm2~0.12mg/ cm2。本發(fā)明復(fù)合材料具有高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高 溫空氣環(huán)境中使用。
[0021] 3、本發(fā)明針對現(xiàn)有Nb-Si系復(fù)合材料的不足，利用鈮元素粉末、鈦元素粉末、鋯元 素粉末和Nb5Si3金屬間化合物粉末為原料，米用機械合金化和熱等靜壓法制備了 Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料，該材料微觀組織只有Nbss相和Nb5Si 3金屬間化合物相，沒有不穩(wěn)定Nb3Si 相。另外，采用鈦合金化提高了材料的室溫斷裂韌性和改善了材料的抗氧化性能;將鋯引入 到Nb-Si系復(fù)合材料中，顯著提高了Nb-Si系復(fù)合材料的高溫抗氧化性能。
[0022] 4、本發(fā)明采用Nb5Si3粉末為原料制備Nb-Si系復(fù)合材料，避免了Si在Nb中的固溶， 極大提高了 Nbss的塑韌性，從而大大提高了 Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料的室溫斷裂韌性。 [0023]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明實施例21制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料的X射線衍射圖譜。
[0025]圖2為本發(fā)明實施例21制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料的微觀組織照片。
【具體實施方式】
[0026] 實施例1
[0027]本實施例Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下質(zhì)量百分比的原料制成:鈦5%，鋯3%， Nb5Si325 %，余量為鈮;所述原料均為粉狀原料，即:鈦為粒徑不大于5μπι的鈦粉，鋯為粒徑不 大于6μπι的鋯粉，Nb5Si3為粒徑不大于5μπι的Nb5Si 3粉，鈮為粒徑不大于8μπι的鈮粉，其中鈦 粉、鋯粉和Nb5Si3粉的質(zhì)量純度均不小于99%，鈮粉的質(zhì)量純度不小于99.9%。
[0028]本實施例Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：
[0029] 步驟一、按質(zhì)量百分比稱取各原料，然后將所稱取的原料球磨混合均勻，在真空條 件下烘干后，得到混合粉末;所述球磨為濕法球磨，所述濕法球磨過程中采用無水乙醇為分 散劑，所述無水乙醇的用量為原料總體積的0.5倍，所述球磨的設(shè)備為行星式球磨機，球料 質(zhì)量比為10:1，球磨速率為300rpm，球磨時間為10h，烘干的溫度為90°C ;
[0030] 步驟二、采用液壓機將步驟一中所述混合粉末壓制成型，得到坯料；
[0031] 步驟三、將步驟二中所述坯料裝入殼體中，抽真空后密封殼體;所述殼體為空心圓 柱形結(jié)構(gòu)，所述殼體的外徑為100mm，所述殼體的高度為100mm;所述殼體的材質(zhì)為純鈦； [0032]步驟四、將步驟三中密封于殼體內(nèi)的坯料裝入熱等靜壓爐中，在溫度為1450°C，壓 力為150MPa的條件下熱等靜壓燒結(jié)lh，自然冷卻后脫除殼體，得到Nb-Ti-Zr-Nb 5Si3復(fù)合材 料。
[0033] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為27MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為765MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為0.12mg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0034] 實施例2
[0035]本實施例與實施例1相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下質(zhì) 量百分比的原料制成:鈦15%，鋯8%，Nb5Si355%，余量為鈮。
[0036] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為15MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為l〇24MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為0.08mg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0037] 實施例3
[0038]本實施例與實施例1相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下質(zhì) 量百分比的原料制成:鈦8%，鋯4.5%，Nb5Si335%，余量為鈮。
[0039] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為23MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為812MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為0.09mg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0040] 實施例4
[00411本實施例與實施例1相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下質(zhì) 量百分比的原料制成:鈦13%，鋯7%，Nb5Si345%，余量為鈮。
[0042] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為18MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為942MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為O.lOmg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0043] 實施例5
[0044]本實施例與實施例1相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下質(zhì) 量百分比的原料制成:鈦10%，鋯6%，Nb5Si341%，余量為鈮。
[0045] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為25MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為lOlOMPa; 1200°C空氣中氧化lOOh后材料損失為0.1 lmg/cm2，說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0046] 實施例6
[0047]本實施例Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料，由以下質(zhì)量百分比的原料制成:鈦5.5 %，鋯 3.5%，Nb5Si326%，余量為鈮;所述原料均為粉狀原料，即：鈦為粒徑不大于5μπι的鈦粉，鋯為 粒徑不大于6μπι的鋯粉，Nb 5Si3為粒徑不大于5μπι的Nb5Si3粉，鈮為粒徑不大于8μπι的鈮粉，其 中鈦粉、鋯粉和Nb 5Si3粉的質(zhì)量純度均不小于99%，鈮粉的質(zhì)量純度不小于99.9%。
[0048] 本實施例復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：
[0049] 步驟一、按質(zhì)量百分比稱取各原料，然后將所稱取的原料球磨混合均勻，在真空條 件下烘干后，得到混合粉末;所述球磨為濕法球磨，所述濕法球磨過程中采用無水乙醇為分 散劑，所述無水乙醇的用量為原料總體積的1倍，所述球磨的設(shè)備為行星式球磨機，球料質(zhì) 量比為20:1，球磨速率為500rpm，球磨時間為30h，烘干的溫度為100°C ;
[0050] 步驟二、采用液壓機將步驟一中所述混合粉末壓制成型，得到坯料；
[0051] 步驟三、將步驟二中所述坯料裝入殼體中，抽真空后密封殼體;所述殼體為空心圓 柱形結(jié)構(gòu)，所述殼體的外徑為100mm，所述殼體的高度為100mm;所述殼體的材質(zhì)為純鈦； [0052]步驟四、將步驟三中密封于殼體內(nèi)的坯料裝入熱等靜壓爐中，在溫度為1550Γ，壓 力為250MPa的條件下熱等靜壓燒結(jié)2h，自然冷卻后脫除殼體，得到Nb-Ti-Zr-Nb 5Si3復(fù)合材 料。
[0053] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為25MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為820MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為0.09mg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0054] 實施例7
[0055]本實施例與實施例6相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下質(zhì) 量百分比的原料制成:鈦10.5%，鋯7.5%，Nb5Si354%，余量為鈮。
[0056] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為16MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為839MPaMPa; 1200 °C空氣中氧化100h后材料損失為0.08mg/cm2，說明該復(fù)合材料具 有高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。 [0057] 實施例8
[0058]本實施例與實施例6相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下質(zhì) 量百分比的原料制成:鈦7.5%，鋯5%，Nb5Si330%，余量為鈮。
[0059] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為23MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為907MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為O.lOmg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0060] 實施例9
[00611本實施例與實施例6相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下質(zhì) 量百分比的原料制成:鈦13%，鋯6.5%，Nb5Si347%，余量為鈮。
[0062] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為19MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為996MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為O.llmg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0063] 實施例10
[0064] 本實施例與實施例6相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下質(zhì) 量百分比的原料制成:鈦10.5%，鋯5.5%，Nb 5Si340%，余量為鈮。
[0065] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為24MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為l〇〇7MPa; 1200 °C空氣中氧化100h后材料損失為0.1 lmg/cm2，說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0066] 實施例11
[0067]本實施例Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料，由以下質(zhì)量百分比的原料制成:鈦5.5 %，鋯 4%，Nb5Si326%，余量為鈮;所述原料均為粉狀原料，即:鈦為粒徑不大于5μπι的鈦粉，錯為粒 徑不大于6μπι的鋯粉，Nb 5Si3為粒徑不大于5μπι的Nb5Si3粉，鈮為粒徑不大于8μπι的鈮粉，其中 鈦粉、鋯粉和Nb 5Si3粉的質(zhì)量純度均不小于99%，鈮粉的質(zhì)量純度不小于99.9%。
[0068]本實施例Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：
[0069] 步驟一、按質(zhì)量百分比稱取各原料，然后將所稱取的原料球磨混合均勻，在真空條 件下烘干后，得到混合粉末;所述球磨為濕法球磨，所述濕法球磨過程中采用無水乙醇為分 散劑，所述無水乙醇的用量為原料總體積的0.8倍，所述球磨的設(shè)備為行星式球磨機，球料 質(zhì)量比為16:1，球磨速率為420rpm，球磨時間為25h，烘干的溫度為95°C ;
[0070] 步驟二、采用液壓機將步驟一中所述混合粉末壓制成型，得到坯料；
[0071] 步驟三、將步驟二中所述坯料裝入殼體中，抽真空后密封殼體;所述殼體為空心圓 柱形結(jié)構(gòu)，所述殼體的外徑為100mm，所述殼體的高度為100mm;所述殼體的材質(zhì)為純鈦； [0072]步驟四、將步驟三中密封于殼體內(nèi)的坯料裝入熱等靜壓爐中，在溫度為1500°C，壓 力為220MPa的條件下熱等靜壓燒結(jié)1.5h，自然冷卻后脫除殼體，得到Nb-Ti-Zr-Nb 5Si3復(fù)合 材料。
[0073] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為25MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為810MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為O.lOmg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0074] 實施例12
[0075]本實施例與實施例11相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下 質(zhì)量百分比的原料制成:鈦14%，鋯8%，Nb5Si355%，余量為鈮。
[0076] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為16MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為l〇17MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為O.llmg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0077] 實施例13
[0078] 本實施例與實施例11相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下 質(zhì)量百分比的原料制成:鈦7%，鋯4%，Nb5Si330%，余量為鈮。
[0079] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為24MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為869MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為0.09mg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0080] 實施例14
[0081 ] 本實施例與實施例11相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下 質(zhì)量百分比的原料制成:鈦13%，鋯7%，Nb5Si347%，余量為鈮。
[0082] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為20MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為967MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為O.llmg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0083] 實施例15
[0084] 本實施例與實施例11相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下 質(zhì)量百分比的原料制成:鈦12%，鋯8%，Nb5Si342%，余量為鈮。
[0085] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為25MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為l〇l〇MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為0.11/cm2,說明該復(fù)合材料具有高 強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0086] 實施例16
[0087]本實施例Nb-Ti-Zr_Nb5Si3復(fù)合材料，由以下質(zhì)量百分比的原料制成：鈦5%，錯 3.5%，Nb5Si326%，余量為鈮;所述原料均為粉狀原料，即：鈦為粒徑不大于5μπι的鈦粉，鋯為 粒徑不大于6μπι的鋯粉，Nb 5Si3為粒徑不大于5μπι的Nb5Si3粉，鈮為粒徑不大于8μπι的鈮粉，其 中鈦粉、鋯粉和Nb 5Si3粉的質(zhì)量純度均不小于99%，鈮粉的質(zhì)量純度不小于99.9%。
[0088] 本實施例復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：
[0089] 步驟一、按質(zhì)量百分比稱取各原料，然后將所稱取的原料球磨混合均勻，在真空條 件下烘干后，得到混合粉末;所述球磨為濕法球磨，所述濕法球磨過程中采用無水乙醇為分 散劑，所述無水乙醇的用量為原料總體積的0.7倍，所述球磨的設(shè)備為行星式球磨機，球料 質(zhì)量比為14:1，球磨速率為400rpm，球磨時間為16h，烘干的溫度為100 °C ;
[0090] 步驟二、采用液壓機將步驟一中所述混合粉末壓制成型，得到坯料；
[0091] 步驟三、將步驟二中所述坯料裝入殼體中，抽真空后密封殼體;所述殼體為空心圓 柱形結(jié)構(gòu)，所述殼體的外徑為100mm，所述殼體的高度為100mm;所述殼體的材質(zhì)為純鈦； [0092]步驟四、將步驟三中密封于殼體內(nèi)的坯料裝入熱等靜壓爐中，在溫度為1480°C，壓 力為250MPa的條件下熱等靜壓燒結(jié)1.5h，自然冷卻后脫除殼體，得到Nb-Ti-Zr-Nb 5Si3復(fù)合 材料。
[0093] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為27MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為879MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為O.lOmg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0094] 實施例17
[0095] 本實施例與實施例16相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下 質(zhì)量百分比的原料制成:鈦15%，鋯8%，Nb5Si350%，余量為鈮。
[0096] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為17MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為993MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為O.llmg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0097] 實施例18
[0098] 本實施例與實施例16相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si 3復(fù)合材料由以下 質(zhì)量百分比的原料制成:鈦15%，鋯8%，Nb5Si345%，余量為鈮。
[0099] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為27MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為l〇24MPa;1200°C空氣中氧化lOOh后材料損失為0.12mg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0100] 實施例19
[0101] 本實施例與實施例16相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下 質(zhì)量百分比的原料制成:鈦13%，鋯7%，Nb5Si355%，余量為鈮。
[0102] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為24MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為987MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為O.llmg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0103] 實施例20
[0104] 本實施例與實施例16相同，其中不同之處在于:Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下 質(zhì)量百分比的原料制成:鈦15%，鋯8%，Nb5Si330%，余量為鈮。
[0105] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為26MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為917MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為O.lOmg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0106] 實施例21
[0107]本實施例Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料由以下質(zhì)量百分比的原料制成：鈦10%，鋯 5%，Nb5Si3 35%，余量為鈮;所述原料均為粉狀原料，即：鈦為粒徑不大于5μπι的鈦粉，鋯為 粒徑不大于6μπι的鋯粉，Nb5Si 3為粒徑不大于5μπι的Nb5Si3粉，鈮為粒徑不大于8μπι的鈮粉，其 中鈦粉、鋯粉和Nb 5Si3粉的質(zhì)量純度均不小于99%，鈮粉的質(zhì)量純度不小于99.9%。
[0108] 本實施例Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：
[0109] 步驟一、按質(zhì)量百分比稱取各原料，然后將所稱取的原料球磨混合均勻，在真空條 件下烘干后，得到混合粉末;所述球磨為濕法球磨，所述濕法球磨過程中采用無水乙醇為分 散劑，所述無水乙醇的用量為原料總體積的0.8倍，所述球磨的設(shè)備為行星式球磨機，球料 質(zhì)量比為15:1，球磨速率為350rpm，球磨時間為12h，烘干的溫度為95°C ;
[0110] 步驟二、采用液壓機將步驟一中所述混合粉末壓制成型，得到坯料；
[0111] 步驟三、將步驟二中所述坯料裝入殼體中，抽真空后密封殼體;所述殼體為空心圓 柱形結(jié)構(gòu)，所述殼體的外徑為100mm，所述殼體的高度為100mm;所述殼體的材質(zhì)為純鈦；
[0112] 步驟四、將步驟三中密封于殼體內(nèi)的坯料裝入熱等靜壓爐中，在溫度為1460°C，壓 力為200MPa的條件下熱等靜壓燒結(jié)1.5h，自然冷卻后脫除殼體，得到Nb-Ti-Zr-Nb 5Si3復(fù)合 材料。
[0113] 本實施例制備的Nb-T i -Zr-Nb5 S i 3復(fù)合材料的X射線衍射圖譜如圖1所示。從圖1中 可以看出，本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb 5Si3復(fù)合材料由鈮固溶體(Nbss)相和Nb5Si3金屬間 化合物相組成，完全避免了亞穩(wěn)定相Nb 3Si的出現(xiàn)。高溫下使用的結(jié)構(gòu)材料，微觀組織需保 持穩(wěn)定。采用傳統(tǒng)的粉末冶金法和熔煉方法制備的Nb-Si系復(fù)合材料微觀組織由Nbss、 Nb5Si3和大量的Nb3Si組成。Nb3Si熔點較低、室溫和高溫力學(xué)性能差、并且不穩(wěn)定，導(dǎo)致了 Nb-Si系復(fù)合材料力學(xué)性能和抗氧化性能下降，降低了材料的可靠性。為了使微觀組織穩(wěn)定 需在1500°C以上退火100h，使Nb 3Si相通過共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镹bss相和Nb5Si3相。因此，以Nb粉 和Si粉為原料制備的Nb-Si系復(fù)合材料具有周期長和能耗高等缺點，而本發(fā)明采用Nb 5Si3粉 作為原料，用熱等靜壓制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si 3復(fù)合材料具有周期短和能耗低等優(yōu)點，并且 完全避免了亞穩(wěn)定的Nb3Si相出現(xiàn)。
[0114] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料的微觀組織如圖2所示。從圖2可以看 出，本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb 5Si3復(fù)合材料無微裂紋和空洞等缺陷，晶粒細小，平均晶粒 約為3μπι且呈等軸狀，晶界輪廓清晰。圖2中黑色的晶粒為Nb 5Si3金屬間化合物相，白灰色的 晶粒為Nbss相，具有極高高溫強度的Nb5Si 3金屬間化合物相均勻分布韌性Nbss基體中，這種 理想的微觀組織使Nb-Ti-Zr-Nb5Si 3復(fù)合材料室溫斷裂韌性和高溫強度達到了良好平衡。
[0115] 進一步分析本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料中Nbss相和Nb 5Si3金屬間 化合物相的化學(xué)組成，結(jié)果見表1。
[0116] 表1本發(fā)明實施例21制備的Mo-Si-B-Hf-Al合金棒材的化學(xué)組成
[0117]
[。丨丨0」 衣1?禾衣明，則SST僅勻恆到51兀糸，出丁 51兀糸_槍江則十云-人人p年，|KnDSS 的塑韌性。本發(fā)明采用Nb5Si3粉末為原料，而不是采用Nb粉和Si粉為原料，避免了Si在Nb中 的固溶，極大提高了 Nbss的塑韌性，從而大大提高了 Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料的室溫斷裂 韌性。另外，合金化元素 Ti和Zr主要固溶在Nb中，Ti固溶在Nb中提高了 Nbss的塑韌性。因此， 添加 Ti元素也有利于改善Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料的室溫斷裂韌性。Zr固溶在Nb也大大改 善了 Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料的高溫抗氧化性能。這是由于Zr元素與0元素有很高的親和 力，高溫下0元素優(yōu)先與Zr元素結(jié)合形成Zr0 2,致密的Zr02保護膜阻止了 0的進一步浸入，從 而提高了 Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料的抗氧化性能。
[0119] 本實施例制備的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料室溫斷裂韌性為30MPa · m1/2; 1300°C壓 縮強度為l〇65MPa;1200°C空氣中氧化100h后材料損失為0.06mg/cm2,說明該復(fù)合材料具有 高強度、高韌性和優(yōu)良的抗氧化性能等特點，能夠在高溫及超高溫空氣環(huán)境中使用。
[0120]本發(fā)明中所述的Nb5Si3屬于Nb-Si金屬間化合物，是一種已知、現(xiàn)有材料。本發(fā)明實 施例中具體采用的Nb5Si3粉由專利CN201510716379.0公開的Nb-Si金屬間化合物棒材破碎、 篩分后得到。
[0121]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制。凡是根據(jù)發(fā)明技 術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案 的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的原料制成:Ti 5% ~15%，Zr 3%~8% ,Nb5Si3 25%~55%，余量為Nb。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的 原料制成:!18%~13%，214.5%~8%，他53丨335%~55%，余量為恥。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的 原料制成:Ti 10%，Zr 5% ,Nb5Si3 35%，余量為Nb。4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料，其特征在于，所述Ti、Zr、 Nb5Si3和Nb均為粉狀原料，其中Ti粉和Nb5Si3粉的粒度均不大于5μπι，Zr粉的粒徑不大于6μ m，Nb粉的粒徑不大于8μηι。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料，其特征在于，所述Ti粉、Zr粉和 Nb5Si 3粉的質(zhì)量純度均不小于99%，所述Nb粉的質(zhì)量純度不小于99.9%。6. -種制備如權(quán)利要求1、2或3所述Nb-Ti-Zr-Nb5Si3復(fù)合材料的方法，其特征在于，該 方法包括以下步驟： 步驟一、按質(zhì)量百分比稱取各原料，然后將所稱取的原料球磨混合均勻，在真空條件下 烘干后得到混合粉末； 步驟二、采用液壓機將步驟一中所述混合粉末壓制成型，得到坯料； 步驟三、將步驟二中所述坯料裝入殼體中，抽真空后密封殼體； 步驟四、將步驟三中密封于殼體內(nèi)的坯料裝入熱等靜壓爐中，在溫度為1450 °C~1550 °C，壓力為150MPa~250MPa的條件下熱等靜壓燒結(jié)Ih~2h，自然冷卻后脫除殼體，得到Nb-Ti-Zr_Nb5Si3 復(fù)合材料。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟一中所述球磨的類型為濕法球磨，所 述濕法球磨的過程中采用無水乙醇為分散劑，所述無水乙醇的用量為原料總體積的0.5~1 倍。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟一中所述球磨的設(shè)備為行星式球磨 機，球料質(zhì)量比為（10~20): 1，球磨速率為300rpm~500rpm，球磨時間為IOh~30h。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟一中所述烘干的溫度為90°C~100°C。10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟四中所述殼體為空心圓柱形結(jié)構(gòu)，所 述殼體的外徑為I OOmm，所述殼體的高度為I OOmm;所述殼體的材質(zhì)為純鈦。
【文檔編號】C22C29/18GK105908042SQ201610272500
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】喻吉良, 鄭欣, 張如, 李來平, 張文, 裴雅, 王峰, 郭林江, 夏明星, 蔡小梅
【申請人】西北有色金屬研究院