[发明专利]一种氮化硅质大尺寸高温结构件及其制备方法

说明书

本发明属于陶瓷制备领域，涉及一种大尺寸厚壁氮化硅高温陶瓷部件及其制备方法。该方法是将氮化硅粉体与烧结助剂混合，原料采用α‑氮化硅粉、β‑氮化硅晶须、氧化铝粉、稀土氧化物、硅粉，造粒成型排胶后在低温、低压条件预烧结，随后在高压条件中温烧结，最后在高温低压烧结，其中烧结过程全程采用双层埋粉，内层BN与石墨混合粉，外层SiON与氮化硼、氮化硅混合粉。采用以上工艺制备的大尺寸厚壁(大于30mm)氮化硅高温结构陶瓷：内外颜色均匀、无夹心；烧结体β‑氮化硅晶粒直径1‑1.5um，长径比范围4‑8，嵌于网络结构的四方状氮化锆直径2‑3um；HV硬度大于15GPa，室温抗弯强度大于800MPa，900℃抗弯强度大于600MPa，断裂韧性大于7MPa·msupgt;1/2/supgt;，热膨胀系数2.8‑3.1×10supgt;‑6/supgt;。

技术领域

本发明属于陶瓷制备技术领域，具体涉及一种大尺寸厚壁氮化硅高温陶瓷部件及其制备方法。

背景技术

氮化硅是一种具有优异综合性能的陶瓷，因其较高的力学、高温力学性能、良好的抗热震性以及优良的耐腐蚀性能，目前已广泛应用于航空航天等领域的复杂结构件。Si₃N₄属于强共价键化合物，依靠固相扩散很难烧结致密，必须添加烧结助剂，借助液相烧结机理来进行致密化。烧结后Si₃N₄陶瓷的力学性能主要由α-Si₃N₄和β-Si₃N₄相的比例及晶间相(玻璃状或部分结晶)的数量和组成决定，这取决于烧结添加剂和烧结工艺。

烧结助剂的组成和含量对Si₃N₄陶瓷的致密化和力学性能具有重要影响。常用的烧结助剂有金属氧化物(MgO、CaO、Al₂O₃)、稀土氧化物(Yb₂O₃、Y₂O₃、Lu₂O₃、CeO₂)和氟化物(LiF、MgF₂、YF₃)等。为降低液相的形成温度，改善晶界相的性能，通常采用二元或多元烧结助剂体系。目前，常用的添加剂Y₂O₃-Al₂O₃、Y₂O₃-SiO₂、MgO-CeO₂等，在液相形成和致密化方面作用较明显，但第二相的结晶化不完全，削弱了材料的高温性能。近些年研究者发现氮化硅中添加Yb₂O₃对晶界相的晶化和材料强度的提高有一定的作用；添加ZrO₂能增韧强化Si₃N₄基陶瓷材料并提高Si₃N₄基陶瓷抗氧化性能。如何选择合适的添加剂种类和含量，在保持良好烧结性能的同时使Si₃N₄基陶瓷具有良好的综合力学和热性能，一直以来都是国内外学者研究的热点。

由于Si₃N₄在1700℃以后开始发生分解，氮气气氛下的气压烧结是制造高性能氮化硅陶瓷最常用的烧结工艺。然而，由于烧结气氛与氮化硅之间的相互作用，氮化硅的分解及硅的挥发问题导致烧结后的大尺寸厚壁(厚度大于30mm)氮化硅结构件常表现出近表面呈浅色，内层呈深色的夹心现象。这种不均匀的颜色是由于样品内外烧结程度不同导致内外层致密度和微观结构的差异所致。烧结后的夹心现象直接影响到氮化硅陶瓷构件的力学性能和物理性能的恶化，导致在生产氮化硅构件时，不得不减小烧结体的尺寸，从而限制了氮化硅的应用。