[发明专利]一种硼化物陶瓷颗粒增强铌钼基复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种真空热压烧结制备硼化物陶瓷颗粒增强铌钼基复合材料的方法，该方法包括以下步骤：1)、制备混合粉末，所述粉末包括ZrB₂15‑50wt％、Nb25‑51wt％和Mo余量；其中Nb粉与Mo粉的重量之比为1‑1.5；将所述粉末干燥混合；2)、将所述混合粉末真空热压烧结，具体步骤如下：(1)压制成胎坯；(2)烘干；(3)在动态真空中烧结；(4)最高烧结温度达2600℃，升温速率为40‑95℃/min；(5)在烧结过程中对混合粉末加压；(6)在加压后将升温速率调整为40‑50℃/min，使炉内温度升高，使压力升高；(7)关闭压力机，关闭加热电源，自然缓慢冷却，将烧结炉的温度降至室温，降温速率为10‑50℃/min。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，特别是涉及一种真空热压烧结制备硼化物陶瓷颗粒增强铌钼基复合材料的方法，利用真空热压烧结合成硼化物陶瓷颗粒增强铌钼基复合材料。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料由于具有高的比刚度、比强度、比模量、耐磨性以及耐高温等优异的性能，是一类高性能先进材料。

陶瓷材料具有耐蚀性好、耐磨等优点，但脆性较大且不易加工；金属材料具有优异的延展性，但耐磨、耐蚀、耐高温性较差。颗粒增强金属基复合材料兼顾了陶瓷的耐高温性和金属良好的韧性，具有单一陶瓷或金属材料不可比拟的优异性能，在航空、航天、汽车等领域具有良好的应用前景。

在陶瓷材料体系中，难熔金属与B、C组成的化合物(如ZrB₂、ZrC、TaC、 HfB₂等超高温陶瓷)的熔点超过3000℃，这些化合物优良的热化学稳定性使得它们能够作为极端环境下使用的候选材料。碳化物和氮化物陶瓷存在抗氧化性能较差的问题，所以抗氧化性优良的硼化物陶瓷及其复合材料成为研究的重点。自上个世纪60年代以来，国内外就开展了ZrB₂基超高温陶瓷(其目标使用温度可达2000℃以上)的研究。由于ZrB₂陶瓷的熔点极高以及Zr与B原子的自扩散系数低，从而通过直接烧结致密的ZrB₂较为困难。研究表明，通过掺入碳化物、硅化物、氮化物及稀有金属氧化物等烧结助剂可以制备较为致密的ZrB₂基超高温陶瓷。ZrB₂陶瓷在1100℃下具有好的抗氧化性能(ZrB₂氧化后形成B₂O₃保护膜)，而温度高于1100℃时，B₂O₃挥发而失去保护作用。目前比较成熟的方法是将ZrB₂与SiC复合，使其在1200℃及以上温度时形成SiO₂保护膜，从而将ZrB₂-SiC复合陶瓷的抗氧化性能提高到1800℃。

虽然国内外已进行了多年的研究，但ZrB₂基超高温陶瓷的断裂韧性较差、抗热冲击性能较弱的问题一直没有得到有效解决，这在很大程度上限制了ZrB₂基超高温陶瓷的应用范围。

难熔金属及其合金具有熔点高、高温强度高等优点，其使用温度≥1100℃，是重要的航天用高温结构材料。难熔金属及其合金的使用温度与它们的熔点直接相关，目前使用最多的合金是铌合金和钼合金。铌合金即便在低温(-196℃)也具有较好的塑性，但其主要缺点为高温抗蠕变性和抗氧化性差。Nb-Mo、Nb-W、 Nb-Ta等为无限固溶合金，不存在高温相变或生成脆性相等问题，因此，在Nb 中添加一定比例的W、Mo、Ta是提高铌基合金的高温强度与蠕变性能的有效途径之一。

由于钼合金存在低温脆性、焊接脆性、加工困难和抗高温氧化性差等缺点，其应用范围受到限制。

陶瓷颗粒增强难熔金属基复合材料是指向难熔金属基体中引入适量的第二相增强颗粒，其优点为：(1)陶瓷颗粒增强难熔金属基复合材料的超高温强度、超高温蠕变性能显著高于难熔合金；(2)陶瓷颗粒增强难熔金属基复合材料的高温及超高温断裂韧度显著高于陶瓷材料的值。