[发明专利]一种低密度铌基复合材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种低密度铌基复合材料及制备方法。该复合材料由Nb/Nb₅Si₃(Nb₂C)层状结构叠置后压力烧结得到；所述Nb/Nb₅Si₃(Nb₂C)层状结构由Nb箔表面涂覆涂层构成。其制备工艺是将Nb粉、Si粉和C粉球磨制备成料浆，将料浆均匀涂覆在Nb箔表面，将喷涂/浸涂后的Nb箔叠压后经1850～2050℃真空热压烧结后制得。本发明所得产品中具有交替分布的Nb/Nb₅Si₃(Nb₂C)层状微观结构。本发明产品制备工艺简单、生产成本低，层状组织致密均匀，可有效的实现增强、增韧和降低密度的目标。

技术领域

本发明公开了一种低密度铌基复合材料及制备方法。特别是一种由Nb/Nb₅Si₃(Nb₂C)层状结构叠置后压力烧结得到的低密度铌基复合材料及制备方法；属于难熔金属复合材料制备技术领域。

背景技术

随着当前航天工业的迅速发展，对高温结构材料的高强度、高韧性、低密度提出了更高的需求。传统的商用铌合金是一种综合性能优异的高温结构材料，其具有高熔点、高强度、高塑性、以及良好的焊接性能，已广泛应用于航天领域，尤其在飞行器的发动机热端部件应用中极为广泛。现有的铌合金多采用添加高熔点金属元素进行固溶强化，在提高强度的同时，合金的密度随之增加。根据元素种类和含量的不同，铌合金的服役温度范围一般1100～1400℃，高温强度一般为150～300MPa，密度范围为8.6～11g/cm³。

目前，轻质高强铌基复合材料的主要研究方向为Nb-Si系材料。美国莱特实验室、劳伦斯利福摩尔国家实验室、英国萨里大学、日本东京科技大学、国内上海交大、西北工大、中南大学等一大批科研院所均开展了Nb-Si系复合材料的有关研究工作。现有的Nb-Si系复合材料，通常采用定向凝固工艺制备铸件，然后，对铸件进行热处理，获得以Nb₅Si₃为主要高温强化相的Nb-Si系复合材料，作为塑性相的铌基固溶体Nb_ss则提供室温断裂韧性，但这类材料仍主要存在以下问题：(1)材料微观组织不均匀。使用定向凝固法制备的Nb-Si系复合材料，易产生局部组织粗大的问题，严重影响合金的力学性能稳定性极大的限制了材料的应用。(2)定向凝固工艺制备的Nb-Si系复合材料，强化相中大多含有Nb₃Si，该相为亚稳相，需要在1770℃以下热处理长时间方可完全分解为Nb₅Si₃，使得该材料在制备过程中流程增加，效率降低。(3)定向凝固法流程较长，制备速率较慢，难以制备大尺寸样件。目前合金拉铸的速率大多在10-50mm/h范围，且样品宽度很难超过20mm。由于这些问题的存在，极大制约了Nb-Si系复合材料的实际应用。

本课题组在前人的研究基础上，开发出了一种由Nb/Nb₅Si₃层状结构叠置后压力烧结得到铌基复合材料(见专利20161111551666.6)；尽管前序研究取得了一定的突破，但经后续研究发现，其要想得到更高性能的产物，必须在加大材料中Nb的含量；但Nb含量一大，必然会增大材料的密度和成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有铌基复合材料存在的问题，提供一种制备工艺简单、成本较低、强度和断裂韧性较高的铌基复合材料及制备工艺，解决铌基复合材料室温断裂韧性较低的问题。

本发明一种低密度铌基复合材料，所述铌基复合材料由Nb/Nb₅Si₃(Nb₂C)层状结构叠置后压力烧结得到；所述Nb/Nb₅Si₃(Nb₂C)层状结构由Nb箔表面涂覆涂层构成，所述涂层按质量百分比，包括下述组分：