[发明专利]一种TiAlZr/ZrO2深海热液区耐蚀陶瓷基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷基复合材料，具体来说，涉及一种TiAlZr/ZrO₂深海热液区耐蚀陶瓷基复合材料及其制备方法。

背景技术

在世界各个大洋4000~6000米深的海底深处，广泛分布着含有锰、铜、钴、镍、铁等70多种元素的大洋多金属结核、富钴结壳、热液硫化物和深海生物基因等丰富的资源，深海石油和天然气储量更是占世界总量的45%，是人类社会可持续发展的宝贵财富。因此，从20世纪90年代开始，美国、法国、英国、日本、俄罗斯等科技强国，纷纷建立了海洋综合管理机构，制定了海洋发展规划，把发展海洋高科技摆在向海洋进军的首要位置。海洋科技领域的发展是一项系统的工程，往往是诸多领域科技发展的集成，但就最重要的基础而言，常常依赖于材料科技的发展和突破，尤其将特别依赖于专用海洋材料的研究和进展。与陆地使用材料不同的是，深海材料受到海水重压，热液区高温热蚀，硫化氢与氯离子腐蚀，海洋微生物附着腐蚀，这就要求深海材料必须具有高强度、耐腐蚀、抗附着、比重轻、高韧性等特点，但目前深海材料可选择的种类非常有限，一定程度上制约了深海探索。例如，深潜器耐压壳体材料的选用，不仅要考虑材料的比强度和比刚度，使之在同样结构重量的情况下深潜器能获得更大的潜深，或在要求的深度下有最轻的结构重量；同时还必须考虑材料的制造性能、可焊性、开孔性、抗腐蚀性、经济性等等。目前大深度深潜器使用的耐压壳材料仅为Ti6Al4V，其优点是重量轻，强度高，具有较好的机械性能，无磁性，良好的耐腐蚀性。深潜器的支撑主框架是一个焊接的空间框架结构，材料选择Ti4Al2V。但深海热液区长期使用的原位测温计表明钛合金容易与热液喷口处的硫化物发生反应导致破坏。

氧化锆陶瓷以其耐磨、耐热、抗高温氧化和优异的抗硫化腐蚀性能而倍受青睐。深海高温高压化学传感器一般集成pH、H₂、H₂S探头，使用的是ZrO₂传感器材料，具有一定的稳定性。其中四方氧化锆陶瓷虽然具有较高的室温强度和韧性，但中高温力学性能有所下降，应力诱导相变对温度的敏感性致使相变增韧失效，导致强度和韧性下降。研究表明TiAl金属间化合物相对于钛合金具有更好的深海耐蚀性能，其韧性相对较高，熔点高，热膨胀系数与ZrO₂接近，有利于与ZrO₂基体的界面结合，同时可改善基体的抗热震性能及中温力学性能。因此，通过TiAl金属间化合物与ZrO₂的复合化可以使材料既具有好的强度与韧性，同时又具有优异的耐腐蚀性，使该类复合材料有望在深海极端环境中应用。但TiAl金属间化合物中的铝原子比较活泼，在制备复合材料的高温烧结过程中，容易与ZrO₂发生反应，置换其中的Zr原子生成一部分氧化铝（Al₂O₃），而众所周知，氧化铝是一种两性氧化物，在深海极端环境中容易发生溶解与腐蚀，进而影响复合材料的性能。

因此，亟需开发一种新型陶瓷基复合材料，该材料既具有好的强度与韧性，同时又具有优异的耐腐蚀性，使该类复合材料有望在深海极端环境中应用。

发明内容

本发明的目的是克服普通材料无法同时满足深海热液区极端环境下综合力学性能和抗腐蚀性能要求的不足，提出一种性能优良、先进实用的新型陶瓷基复合材料，通过引入一定量的单质金属锆粉来稳定TiAl金属间化合物，形成TiAlZr三元金属间化合物，其同样具有优异的抗腐蚀性能，而且保护了ZrO₂陶瓷基体，从而达到更好的复合目的，使制备的TiAlZr/ZrO₂有望用于深海结构或功能材料。

为了达到上述目的，本发明提供了一种TiAlZr/ZrO₂深海热液区耐蚀陶瓷基复合材料，该复合材料包含ZrO₂基体相和TiAlZr金属间化合物，其中ZrO₂占复合材料总质量的50%～90%，TiAlZr金属间化合物占复合材料总质量的10%～50%。

上述的TiAlZr/ZrO₂深海热液区耐蚀陶瓷基复合材料，其中，所述的TiAlZr金属间化合物是采用Ti粉、Al粉及Zr粉高温反应制成，其中，Ti粉、Al粉及Zr粉三者的摩尔比为1:1:1。

本发明还提供了一种根据上述的TiAlZr/ZrO₂深海热液区耐蚀陶瓷基复合材料的制备方法，该方法包含以下具体步骤：