[发明专利]一种硼化物陶瓷颗粒增强铌钛基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硼化物陶瓷颗粒增强铌钛基复合材料及其制备方法。所述方法包括以下步骤：1)、制备混合粉末及预成型坯体，包括粉末的均匀混合与干燥及预成型坯体的制备；2)、真空热压烧结，具体步骤如下：(1)将预成型坯体置于真空热压烧结炉中并抽真空；(2)升温至400‑500℃，升温速率为5‑10℃/min；(3)通入保护性气氛，继续升温至1500‑1700℃，升温速率为8‑12℃/min；(4)开启油压泵加压，在1500‑1700℃温度下对预成型坯体进行保温保压处理；(5)关闭油压泵，关闭加热系统，随炉冷却至室温。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，特别涉及一种硼化物陶瓷颗粒增强铌钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

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、机械工业中具有良好的应用前景。二硼化锆(ZrB₂)陶瓷具有熔点高(>3000℃)、硬度高(>23GPa)、模量高(>500GPa)、耐腐蚀、热稳定性良好等优点，常用于极端环境，是一种重要的超高温陶瓷材料。ZrB₂共价键很强的特性决定了该陶瓷材料难于烧结和致密化,且存在室温断裂韧性较低等问题。

难熔金属是指熔点在2000℃以上的金属，包括钨、钼、钛、铌、铼和锆等。难熔金属及其合金的共同特点是熔点高，高温强度高，抗液态金属腐蚀性能好，绝大部分可塑性加工，其使用温度范围为1100-3320℃，是重要的航天高温结构材料。难熔金属及其合金的使用温度与它们的熔点直接相关，由低到高的顺序为：铌合金→钼合金→钽合金→钨合金，目前使用最多的合金是铌合金和钼合金。

难熔金属铌具有高熔点(2468℃)、低密度(8.66g/cm³)和良好的室温断裂韧性，但随着温度升高到1200K，铌的强度会急剧下降。为了提高铌的高温强度，可以通过固溶强化和沉淀强化等手段进行强化处理。例如通过添加难熔金属元素V,Ta、Mo、和W等进行固溶强化，利用金属间化合物Nb₃Al或Nb₅Si₃等进行沉淀强化。

铌基合金具有高熔点，低密度和良好的延展性等优点，是一种综合性能优良的材料。添加一定含量的钛到纯铌中，形成的铌钛合金的室温断裂韧度显著高于纯铌的值。其增韧原理是：Ti与Nb的原子半径差小，溶入Nb中形成的是置换固溶体，晶格畸变程度小。此外，Ti最外层电子数小于5，只能与Nb形成共有电子、形成固溶体的金属键，因而外层电子在离子之间分布均匀。所以在Ti元素含量高的铌合金中，同时具有较高的强度和塑韧性。钛添加到纯铌中，使合金在高温时生成氧化物保护膜，提高铌基合金抗氧化性能。未添加陶瓷颗粒增强的铌基合金(如Nb-Ti-Al系合金)存在高温强度低的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种新型硼化物颗粒增强铌钛基复合材料及其制备方法。将由ZrB₂粉、Nb粉和Ti粉组成的混合粉末通过真空热压烧结，形成硼化物增强铌钛基复合材料。

通过添加一定含量的钛提高该复合材料室温韧性并降低烧结温度。在真空热压烧结过程中，ZrB₂与Nb、Ti反应生成固溶体(Nb,Ti)ss和(Nb，Ti)B相，利用固溶强化和硬质陶瓷相(Nb，Ti)B的第二相强化提高复合材料的强度，并且Ti的加入能有效提高复合材料的室温断裂韧性。

通过改变ZrB₂、Ti的含量，使该复合材料室温抗压强度为600-1700MPa、1000℃的抗压强度为350-1300MPa，1200℃的抗压强度为150-700MPa，1300℃的抗压强度为150-200MPa。该复合材料的室温断裂韧度值为7-12MPa·m^1/2，韧脆性转变温度在900-1300℃之间。

本发明的技术方案如下：