專利名稱：一種鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦硅鋁碳陶瓷材料的制備方法，具體涉及一種通過摻雜鎢提高鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度以及高溫強(qiáng)度和彈性模量迅速下降的溫度的方法。
背景技術(shù)：
鈦硅碳(Ti3SiC2)陶瓷綜合了金屬和陶瓷的許多優(yōu)點(diǎn)，例如像金屬它具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、可機(jī)械加工和電加工、抗熱沖擊等性能，像陶瓷它具有耐高溫、抗氧化、比重低的優(yōu)點(diǎn)。 由于鈦硅碳(Ti3SiC2)陶瓷具有這些優(yōu)異的性能使得它作為高溫結(jié)構(gòu)材料和抗氧化涂層的候選材料，在航空、航天、核工業(yè)、機(jī)械、電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，作為高溫結(jié)構(gòu)材料，其室溫強(qiáng)度(室溫彎曲強(qiáng)度350-450MPa)、高溫強(qiáng)度(1000° C的彎曲強(qiáng)度200MPa) 和高溫剛度(1050° C以上彈性模量迅速下降)并不理想，需要提高室溫和高溫強(qiáng)度以滿足航空、航天、核工業(yè)等發(fā)展對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料的需求。
為了提高鈦硅碳(Ti3SiC2)陶瓷的室溫和高溫性能，國(guó)內(nèi)外開展大量的研究工作。文獻(xiàn)I
(Mater. Sic. Eng. A487, 137-143 (2008))提供了一種在鈦硅碳(Ti3SiC2)陶瓷加入TiC顆粒的方法，使鈦硅碳(Ti3SiC2)陶瓷的室溫強(qiáng)度和硬度得到改善，但高溫力學(xué)性能未得到明顯提高。文獻(xiàn)2(J. Mater. Sc1. , 30, 3087-3090 (1995))和文獻(xiàn)3
(Bull. Mater. Sc1.，34，1309-1311(2011))提供了一種在鈦硅碳(Ti3SiC2)陶瓷加入 SiC 顆粒的方法，類似的，加入SiC顆粒使鈦硅碳(Ti3SiC2)陶瓷的室溫強(qiáng)度和硬度得到改善， 但高溫力學(xué)性能，特別是力學(xué)性能迅速下降的溫度未能夠改變。文獻(xiàn)4(J. Am. Ceram. Soc.，93，1749-1753(2010))提供了一種在鈦硅鋁碳(Ti3Si (Al)C2)塊體陶瓷中摻雜少量過渡金屬Zr、Hf、Nb提高其高溫性能的方法，摻雜Zr、Hf、Nb使得高溫強(qiáng)度和高溫彈性模量迅速下降的溫度提高了 150° C (從1050° C提高到1200° C)，但室溫和高溫強(qiáng)度本身并未得到明顯提高。目前，還沒有一種既可以提高鈦硅碳(Ti3SiC2)陶瓷或鈦硅鋁碳(Ti3Si (Al) C2)的室溫和高溫強(qiáng)度，又可以提高高溫強(qiáng)度和高溫彈性模量迅速下降的溫度的方法發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的制備方法， 其通過摻雜鎢提高鈦硅鋁碳(Ti3Si (Al) C2)陶瓷塊體材料的室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度以及高溫強(qiáng)度和彈性模量迅速下降的溫度。
本發(fā)明所述的一種鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的制備方法，其包括如下步驟
(I)原料混合以金屬鎢粉或碳化鎢粉、鈦硅鋁碳粉作原料；其配比為金屬鎢粉或碳化鶴粉中W元素的摩爾量為鈦娃招碳粉中Ti元素摩爾量的1%_15% ；
然后將金屬鎢粉或碳化鎢粉、鈦硅鋁碳粉在行星式球磨機(jī)中濕法混合10-24小時(shí)，混合介質(zhì)為酒精，磨球?yàn)榈枨颍?br> ( 2)粉末干燥將步驟(I)濕法混合均勻的原料粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為 40-70。 C；
(3)熱壓燒結(jié)將步驟(2)充分干燥后的粉末裝入石墨模具，在惰性氣體氬氣保護(hù)下進(jìn)行反應(yīng)熱壓燒結(jié)，反應(yīng)熱壓燒結(jié)溫度為1450°C -1700°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為O. 5-4小時(shí)， 熱壓燒結(jié)的壓力為20-40MPa ;最后制得鎢摻雜鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料。
本發(fā)明所述的另一種鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的制備方法，其包括如下步驟
(I)原料混合以金屬鎢粉或碳化鎢粉、鈦粉、硅粉、鋁粉和石墨粉作原料；其配比為，鈦粉與金屬鎢粉或碳化鎢粉質(zhì)量總和硅粉質(zhì)量鋁粉質(zhì)量石墨粉質(zhì)量=3 (O. 7 1. 1):(0.1 O. 2):(1. 6 2. O);同時(shí)金屬鶴粉或碳化鶴粉中W元素的摩爾量為Ti元素摩爾量的1%_15% ；
然后將金屬鎢粉或碳化鎢粉、鈦粉、硅粉、鋁粉和石墨粉在行星式球磨機(jī)中濕法混合10-24小時(shí)，混合介質(zhì)為酒精，磨球?yàn)榈枨颍?br> (2)粉末干燥將步驟(I)濕法混合均勻的原料粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為 40-70。 C；
(3)熱壓燒結(jié)將步驟(2)充分干燥后的粉末裝入石墨模具，在惰性氣體氬氣保護(hù)下進(jìn)行反應(yīng)熱壓燒結(jié)，反應(yīng)熱壓燒結(jié)溫度為1450°C -1700°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為O. 5-4小時(shí)， 熱壓燒結(jié)的壓力為20-40MPa ;最后制得鎢摻雜鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料。
如上所述的一種鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的制備方法，其所述的金屬鎢粉或碳化鎢粉純度為99%，粒度為-300目。
本發(fā)明的效果在于本發(fā)明以金屬鶴(W)或碳化鶴(WC)為慘雜組兀，以欽娃招碳 (Ti3Si (Al) C2)為基體，經(jīng)高溫反應(yīng)熱壓燒結(jié)制備的鎢(W)摻雜鈦硅鋁碳(Ti3Si (Al) C2)陶瓷塊體材料，具有優(yōu)異的室溫和高溫力學(xué)性能。與未摻雜鎢或碳化鎢的鈦硅鋁碳 (Ti3Si (Al) C2)陶瓷對(duì)比，根據(jù)鎢摻雜量的不同，室溫彎曲強(qiáng)度彡550 MPa，最高可達(dá)650 MPa，高溫 1200° C的彎曲強(qiáng)度彡260MPa，高溫彈性模量和高溫強(qiáng)度迅速降低的溫度彡1200° C， 1200° C時(shí)的高溫彈性模量彡280 GPa0未摻雜鎢或碳化鎢的鈦硅鋁碳(Ti3Si (Al) C2)陶瓷的彎曲強(qiáng)度為350-450MPa，高溫1200° C的彎曲強(qiáng)度為150-200 MPa,高溫彈性模量和高溫強(qiáng)度迅速降低的溫度為1050° C，1200° C時(shí)的高溫彈性模量為260GPa。通過對(duì)比可見本發(fā)明制備的鎢(W)摻雜鈦硅鋁碳(Ti3Si (Al) C2)陶瓷具有優(yōu)異的室溫和高溫力學(xué)性能。


圖1為用本發(fā)明工藝制備的鎢摻雜鈦硅鋁碳陶瓷的X-射線衍射譜。
圖2為摻雜5at%W的鈦硅鋁碳陶瓷的掃描電鏡照片。
圖3摻雜5at%W的鈦硅鋁碳陶瓷及未摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷的彈性模量和內(nèi)耗隨溫度的變化關(guān)系。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1
本發(fā)明所述的一種鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的制備方法，其包括如下步驟
(I)原料混合將鈦粉43. 55g,硅粉9g，鋁粉O. 47g,石墨粉7. 7g,鎢粉1. 84g均勻混合，在行星式球磨機(jī)上球磨15小時(shí),球磨介質(zhì)為酒精,磨球?yàn)榈耷颍?br> ( 2)粉末干燥將步驟(I)濕法混合均勻的原料粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為 50。 C0
(3)熱壓燒結(jié)將步驟(2)充分干燥后的粉末裝入Φ60πιπι的石墨模具，在惰性氣體氬氣保護(hù)下進(jìn)行反應(yīng)熱壓燒結(jié)，反應(yīng)熱壓燒結(jié)溫度為1480°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為70min，熱壓燒結(jié)的壓力為35MPa ;最后制得鎢摻雜鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料，其室溫彎曲強(qiáng)度為620 MPa,斷裂韌性為 7. 5 MPa. m1/2。
實(shí)施例2
本發(fā)明所述的一種鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的制備方法，其包括如下步驟
(I)原料混合將鈦粉37. 4g,硅粉9. 2g,鋁粉O. 48g,石墨粉7. 6g,鎢粉27. 58g 均勻混合，在行星式球磨機(jī)上球磨20小時(shí)，球磨介質(zhì)為酒精，磨球?yàn)榈枨颍?br> ( 2)粉末干燥將步驟(I)濕法混合均勻的原料粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為 50。 C0
(3)熱壓燒結(jié)將步驟(2)充分干燥后的粉末裝入Φ60 mm的石墨模具，在惰性氣體氬氣保護(hù)下進(jìn)行反應(yīng)熱壓燒結(jié)，反應(yīng)熱壓燒結(jié)溫度為1620°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為50min， 熱壓燒結(jié)的壓力為30MPa ;最后制得鎢摻雜鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料，其室溫彎曲強(qiáng)度為640 MPa，彈性模量為352 GPa,斷裂韌性為7. 5 MPa. m1/2，維氏硬度為5. 5GPa。
實(shí)施例3
本發(fā)明所述的一種鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的制備方法，其包括如下步驟·
(I)原料混合將鈦粉43g，硅粉8. 5g,鋁粉O. 52g,石墨粉7. 5g,鎢粉5. 7g均勻混合，在行星式球磨機(jī)上球磨24小時(shí),球磨介質(zhì)為酒精,磨球?yàn)榈耷颍?br> ( 2)粉末干燥將步驟(I)濕法混合均勻的原料粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為 45° C。
(3)熱壓燒結(jié)將步驟(2)充分干燥后的粉末裝入Φ60πιπι的石墨模具，在惰性氣體氬氣保護(hù)下進(jìn)行反應(yīng)熱壓燒結(jié)，反應(yīng)熱壓燒結(jié)溫度為1550°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為30min，熱壓燒結(jié)的壓力為30MPa ;最后制得鎢摻雜鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料，其室溫彎曲強(qiáng)度為580 MPa,維氏硬度5. 7 GPa,斷裂韌性為6. 8 MPa. m1/2。
實(shí)施例4
本發(fā)明所述的一種鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的制備方法，其包括如下步驟
(I)原料混合將鈦硅鋁碳粉76g、鎢粉2. 28g均勻混合，在行星式球磨機(jī)上球磨18 小時(shí)，球磨介質(zhì)為酒精，磨球?yàn)榈枨颍?br> ( 2)粉末干燥將步驟(I)濕法混合均勻的原料粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為 70。 C0
(3)熱壓燒結(jié)將步驟(2)充分干燥后的粉末裝入Φ60_的石墨模具，在惰性氣體氬氣保護(hù)下進(jìn)行反應(yīng)熱壓燒結(jié)，反應(yīng)熱壓燒結(jié)溫度為1590°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為40min，熱壓燒結(jié)的壓力為40 MPa ;最后制得鎢摻雜鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料。所得材料的室溫彎曲強(qiáng)度為600 MPa，彈性模量為352 GPa,高溫彈性模量快速下降的溫度為1200° C，1200。C的彈性模量295GPa，1400°C的彈性模量278 GPa0
實(shí)施例5
本發(fā)明所述的一種鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材·料的制備方法，其包括如下步驟
(I)原料混合將鈦硅鋁碳粉70g、碳化鎢粉21. 45g均勻混合，在行星式球磨機(jī)上球磨24小時(shí)，球磨介質(zhì)為酒精，磨球?yàn)榈枨颍?br> (2)粉末干燥將步驟(I)濕法混合均勻的原料粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為 50。 C。
(3)熱壓燒結(jié)將步驟(2)充分干燥后的粉末裝入石墨模具，在惰性氣體氬氣保護(hù)下進(jìn)行反應(yīng)熱壓燒結(jié)，反應(yīng)熱壓燒結(jié)溫度為1700°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為90min，熱壓燒結(jié)的壓力為40 MPa ;最后制得鎢摻雜鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料。所得材料的室溫彎曲強(qiáng)度為 625MPa, 1200。C的彎曲強(qiáng)度285MPa,斷裂韌性為7. 3MPa. m1/2,維氏硬度為6. 8 GPa0
實(shí)施例6
本發(fā)明所述的一種鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的制備方法，其包括如下步驟
(I)原料混合將鈦硅鋁碳粉70g、鎢粉IOg均勻混合，在行星式球磨機(jī)上球磨10 小時(shí)，球磨介質(zhì)為酒精，磨球?yàn)榈枨颍?br> ( 2)粉末干燥將步驟(I)濕法混合均勻的原料粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為 40° C。
(3)熱壓燒結(jié)將步驟(2)充分干燥后的粉末裝入石墨模具，在惰性氣體氬氣保護(hù)下進(jìn)行反應(yīng)熱壓燒結(jié)，反應(yīng)熱壓燒結(jié)溫度為1450°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為4h，熱壓燒結(jié)的壓力為20MPa ;最后制得鎢摻雜鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料。
權(quán)利要求
1.一種鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟(1)原料混合以金屬鎢粉或碳化鎢粉、鈦硅鋁碳粉作原料；其配比為金屬鎢粉或碳化鶴粉中W元素的摩爾量為鈦娃招碳粉中Ti元素摩爾量的1%_15% ；然后將金屬鎢粉或碳化鎢粉、鈦硅鋁碳粉在行星式球磨機(jī)中濕法混合10-24小時(shí)，混合介質(zhì)為酒精，磨球?yàn)榈枨颍?2)粉末干燥將步驟(I)濕法混合均勻的原料粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為40-70。 C；(3)熱壓燒結(jié)將步驟(2)充分干燥后的粉末裝入石墨模具，在惰性氣體氬氣保護(hù)下進(jìn)行反應(yīng)熱壓燒結(jié)，反應(yīng)熱壓燒結(jié)溫度為1450°C -1700°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為O. 5-4小時(shí)，熱壓燒結(jié)的壓力為20-40MPa ;最后制得鎢摻雜鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料。
2.一種鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟(O原料混合以金屬鎢粉或碳化鎢粉、鈦粉、硅粉、鋁粉和石墨粉作原料；其配比為，鈦粉與金屬鎢粉或碳化鎢粉質(zhì)量總和硅粉質(zhì)量鋁粉質(zhì)量石墨粉質(zhì)量=3 :(0. 7^1.1)(O.1 "O. 2) (1. 6^2. O);同時(shí)金屬鶴粉或碳化鶴粉中W元素的摩爾量為Ti元素摩爾量的1%-15% ；然后將金屬鎢粉或碳化鎢粉、鈦粉、硅粉、鋁粉和石墨粉在行星式球磨機(jī)中濕法混合10-24小時(shí)，混合介質(zhì)為酒精，磨球?yàn)榈枨颍?2)粉末干燥將步驟(I)濕法混合均勻的原料粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為40-70。 C；(3)熱壓燒結(jié)將步驟(2)充分干燥后的粉末裝入石墨模具，在惰性氣體氬氣保護(hù)下進(jìn)行反應(yīng)熱壓燒結(jié)，反應(yīng)熱壓燒結(jié)溫度為1450°C -1700°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為O. 5-4小時(shí)，熱壓燒結(jié)的壓力為20-40 MPa ;最后制得鎢摻雜鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的制備方法，其特征在于，所述的金屬鎢粉或碳化鎢粉純度為99%，粒度為-300目。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高強(qiáng)度鎢摻雜的鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料的制備方法，其步驟(1)以金屬鎢粉或碳化鎢粉、鈦硅鋁碳粉作原料，在行星式球磨機(jī)中濕法混合，混合介質(zhì)為酒精，磨球?yàn)榈枨颍?2)將濕法混合均勻的原料粉末在真空烘箱中烘干；(3)將充分干燥后的粉末裝入石墨模具，在惰性氣體氬氣保護(hù)下進(jìn)行反應(yīng)熱壓燒結(jié)，反應(yīng)熱壓燒結(jié)溫度為1450℃-1700℃，熱壓燒結(jié)時(shí)間為0.5-4小時(shí)，熱壓燒結(jié)的壓力為20-40 MPa；最后制得鎢摻雜鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料。本發(fā)明制備的鎢摻雜鈦硅鋁碳陶瓷塊體材料，具有優(yōu)異的室溫和高溫力學(xué)性能，室溫彎曲強(qiáng)度≥550 MPa，高溫1200°C的彎曲強(qiáng)度≥260 MPa，高溫彈性模量和高溫強(qiáng)度迅速降低的溫度≥1200°C，1200°C時(shí)的高溫彈性模量≥280GPa。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102992765SQ201210447090
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者周延春, 鄭麗雅, 盧新坡 申請(qǐng)人:航天材料及工藝研究所, 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院