[发明专利]一种二硼化锆基超高温陶瓷低温高速超塑性成形方法

说明书

本发明提供一种二硼化锆基超高温陶瓷低温高速超塑性成形方法，属于超高温陶瓷的成形领域。该方法在二硼化锆内引入适量的二硅化物，进而得到纳米陶瓷粉体，然后将纳米陶瓷粉体经烧结制得烧结坯体，然后在特定的温度区间和应力的共同作用下，利用超塑性挤压的方式在短时间内获得接近于最终形状的超高温陶瓷产品，经过精磨制得超高温陶瓷零件。经改良的超高温陶瓷能够在较高的初始应变速率、较低的温度、以及较低的应力下，在较短的时间内即可实现超过100％的塑性变形，使得该材料的超塑性成形具有了工程应用的意义。利用该方法可以实现超高温陶瓷复杂形状构件的近净成形，解决了二硼化锆基超高温陶瓷由于硬度高、脆性大等而加工困难的问题。

技术领域

本发明属于超高温陶瓷的成形领域，具体涉及一种二硼化锆基超高温陶瓷低温高速超塑性成形方法。

背景技术

二硼化锆(ZrB₂)基超高温陶瓷具有优越的刚度、硬度和强度等力学性能，具有极高的熔点和化学稳定性，在高温有氧环境下具有优异的抗氧化和抗烧蚀性能。因此该材料是在超高温、有氧或中性气氛、复杂载荷等极端环境下长时间服役的首选结构材料，可广泛应用于高超声速飞行器热防护部件、高推重比发动机、超高温电极等工业领域。

超高温陶瓷材料硬度高、塑性差，无法像金属一样进行传统的塑性加工，常规的机加工方式也难以生产出具有复杂形状的超高温陶瓷零部件。现阶段，具有复杂形状的超高温陶瓷零部件的近净成形技术有：无压烧结和等离子喷涂。无压烧结法可在素坯阶段通过干/湿法成形，适合制备形状复杂的大型构件，但依然面临着坯体收缩幅度大，成品尺寸和公差控制难的传统问题。等离子喷涂成型虽然可以制造复杂形状零件，但只能制备薄壁和涂层，无法满足较大尺寸零件(如飞行器的鼻锥、机翼前缘等)的要求。鉴于上述方法的局限性，有必要开发一种高精度、高效率，且能够制备大尺寸复杂形状ZrB₂基超高温陶瓷零部件的方法。

细晶陶瓷材料在高温下能够产生一定的超塑性变形能力，其机理为：细晶陶瓷在足够高的温度和应力的共同作用下，在足够低的应变速率下，能够利用微观上的晶界滑移和晶粒转动产生宏观上的超塑性变形，即变形量超过100％且不会产生裂纹。利用超塑性特征，可根据零部件尺寸设计挤压、气涨、拉深等模具，将陶瓷烧结体加工成为具有特殊形状的零部件，该方法具有成品件精度高、零件尺寸不受限制等优点。

然而，超高温陶瓷由于其自身的晶体结构和化学键特征，其能够产生超塑性变形的温度通常需要达到1900-2100℃，加工能源消耗巨大；且应变速率仅为10^-5-10^-9s^-1。如此低的应变速率导致其产生50％的变形量需要长达几百甚至上千分钟，因此不具备工程应用的基本条件。(譬如专利《一种陶瓷基复合材料及其制备方法和应用》，专利号：201310460525.9，制备出一种以二硼化锆为基体相，以二硅化锆为烧结助剂，以多壁碳纳米管为添加剂的复合材料；烧结后材料中含有碳化锆与硅化锆，很难对其加工成形。)鉴于以上技术难点，提高超高温陶瓷的超塑性变形能力，在相对较低的温度下，在较短的时间内即可实现较大的变形量而不产生裂纹，是该材料超塑性成形具有工程应用潜力的关键。超高温陶瓷的超塑性成形技术投入工程应用，有望解决超高温陶瓷近净成形难的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的在于解决超高温陶瓷难以近净成形的问题，为超高声速飞行器热防护部件、高推重比发动机耐热部件等复杂形状零部件的高精度近净成形提供了解决方案。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种二硼化锆基超高温陶瓷低温高速超塑性成形方法，通过在二硼化锆内部引入适量的二硅化物，使二硼化锆产生了大量的非晶态晶界进而大幅提升了超高温陶瓷的超塑性变形能力。首先将纳米陶瓷粉体经过高温烧结制得烧结坯体，然后在特定的温度区间和应力的共同作用下，利用超塑性挤压的方式在较短的时间内获得接近于最终形状的超高温陶瓷产品，最终经过精磨制得超高温陶瓷零件。

其材料成分及具体步骤如下：