一種陶瓷晶須增強(韌)金屬間化合物基複合材料的製備方法
2023-06-04 08:28:16 1
專利名稱：一種陶瓷晶須增強(韌)金屬間化合物基複合材料的製備方法
技術領域：
本發明提出一種金屬間化合物基複合材料的製造方法。陶瓷晶須(如SiC、SiN、Al2O3等)具有優異的比強度，比鋼度、高耐熱性等特性，目前大都用來與輕金屬(如Al、Mg及其合金)複合，製成金屬基複合材料，在國外已在航天航空領域已有所應用。經理論計算SiC晶須的抗拉強度在1200kgf/mm2左右，但由於基體強度以及耐熱性與之相比相差太遠，故晶須各項優越性能還不能充分發揮出採。
金屬間化合物具有優異的高溫強度特性，在採來的飛機引擎、汽輪機葉片、宇航飛行器等對耐熱，輕質有要求的部件上有著誘人的應用前景，目前世界幾個技術先進國家都在投巨資研究開發中。
然而金屬間化合物的最大弊端是脆性大，難加工，為此許多研究者使用了合金化的方法改善其脆性，這是較為有效的方法但還很有限，且有部分強度損失。
如果在金屬間化合物中加入晶須即可以充分發揮晶須的強度、剛度特性又可以改變金屬間化合物的宏觀組織結構以增加韌性，同時再配合合金化的增韌方法將得到高性能的金屬間化合物基複合材料。
目前金屬間化合物的製備工藝很複雜，成本很高，若製備金屬間化合物基複合材料在製備工藝上必須有所突破。
本發明目的是針對金屬間化合物製備工藝複雜，設備昂貴，和金屬間化合脆性大，難以實用的問題而提出的。
具體任務是將晶須與金屬間化合物中的離熔點金屬粉末混合製成一定形狀的予制塊，利用金屬間化合物的反應生成熱力學條件在極簡單的壓力鑄造設備上，藉助外界壓力將金屬間化合物中的低熔點金屬滲透到混合物的予制塊中，同時反應生成夾雜有晶須的金屬間化合物，從而得到高強度，高韌性且低成本的金屬間化合物基複合材料。
本發明的詳細內容是本發明的製備方法是在
圖1的裝置下進行的。其中1為衝頭，2為金屬溶液，3為預製塊，4為模具，5為壓力機臺面，6為電爐。具體的製備方法按以下步驟進行(1)首先將碳化矽晶須SiC與組成金屬間化合物的高熔點金屬粉末鈦Ti粉，按1∶5～1∶20的比例混合，視材料韌化設計需要還可以加入相當於鈦粉的1～5％的韌化元素金屬粉末如鉻Cr、或鈮Nb、或矽Si、錳Mn、釩V、鉬Mo等，形成予制塊。予制塊的體積分數以滿足金屬間化合物組成的原子比為準，如果欲得到TiAl基，晶須含量為5％的複合材料時，予制塊體積分數約為51.6％。
高熔點金屬粉末還可以採用鎳Ni、鈮Nb、錳Mn、鐵Fe，按上述比例與氮化矽SiN、或氧化鋁Al2O3晶須混合，也可加入上述的其中一種韌化元素。
(2)然後將予制塊放置於金屬制的模具中加熱至適當溫度(如680℃～700℃)。
(3)再將組成金屬間化合物的低熔點金屬(如Al)熔化，升溫到適當溫度(如780℃～840℃)。
(4)採用擠壓鑄造法，將模具置於壓力機上，澆注低熔點金屬溶液再加壓使溶液滲入到予制塊內部，在滲入的同時，在高溫下溶液與金屬粉末發生反應，生成金屬間化合物。
(5)在保持壓力的同時(如40～50MPa)自然冷卻到一定溫度(如400℃)後，脫模取出具有一定形狀的金屬間化合物基複合材料。
本發明提供了一個製備新型的晶須增強金屬間化合物基複合材料的高效率、低成本、可靠性強的新方法。用該方法可以獲得該複合材料的高強度，高韌性，高質密性。
本發明還具有設備簡單、工藝簡便、可一次成形、成本低質量好等優點，為金屬間化合物基複合材料的開發創造了新途徑。
圖1為本發明提供的裝置原理結構圖。
實施例1本發明實施例所採用的金屬粉末為Ti粉(純度為99.9％)，金屬熔液為工業純鋁Al(純度為99.7％)晶須為SiN。
(1)首先將晶須與Ti粉按5∶51體積比混合，製成Φ32×20mm的予制塊。予制塊體積率為53.6％左右。
(2)然後將帶有予制塊的模具加熱至680℃同時將Al液加熱至840℃。
(3)在壓力機上澆注，加壓溶滲(加壓力為40MPa)。
(4)保持壓力冷卻至400℃後，脫模。
得到晶須體積率約為5％，基體為Ti-48Al金屬間化合物的複合材料(照片如圖2)。
實施例2(1)本發明實施例所採用的金屬粉末為Ti粉(純度為99.9％)及SiC晶須、工業統鋁Al(99.7％)和鉻Cr粉。
(2)先將Ti粉中混入1％重量比的Cr粉再將SiC晶須與Ti、Cr混合粉按5∶49體積比混合，製成Φ32×20mm的子制塊。予制塊體積率約為52％。
(3)將帶有予制塊的模具加熱至700℃，同時將鋁液加熱至840℃。
(4)在壓力機上澆注後加壓溶滲，加壓力為40MPa。
(5)保持壓力，冷卻至450℃後脫模。
得到SiC晶須體積率約為5％，基體為TiAl金屬間化合物的複合材料。
實施例3(1)原料採用Ni粉(純度為99.9％)SiC晶須，工業統鋁Al(99.7％)和鉻Cr粉。
(2)將SiC晶須與Ni粉按1.1∶8∶8，體積比混合，製成φ32×20mm的予制塊。予制塊體積率約為37.8％。
(3)將盛有予制塊的模具加熱至700℃，同時將鋁液加熱至860℃。
(4)在壓力機上澆注後，加壓溶滲，加壓力為30MPa。
(5)保持壓力，冷卻至450℃後脫模。
得到晶須體積率為5％基體為NiAl金屬間化合物的複合材料。
權利要求
1.一種陶瓷晶須增強(韌)金屬間化合物基複合材料的製備方法，其特徵在於按以下步驟來實現(a)首先將組成金屬間化合物的一種高熔點金屬粉末鈦Ti與晶須碳化矽SiC按1∶5～1∶20的比例混合，視材料韌化設計需要還可加適量的鉻Cr等韌化元素的金屬粉末，製成予制塊，予制塊的體積分數視欲得到的金屬間化合物的組成而調節，通常可在46～55％左右。(b)然後，將予制塊放置於金屬制的模具中加熱至攝氏680℃～700℃溫度。(c)將組成金屬間化合物的低熔點金屬Al溶化，升溫至適當溫度如攝氏780℃～840℃。(d)採用擠壓鑄造法，將模具置於壓力機上，澆注低熔點金屬溶液。再加壓，使其溶液滲入到予制塊內部。(e)在保持壓力在40～50MPa的同時，自然冷卻到溫度400℃左右後，脫模，取出具有一定形狀的金屬間化合基複合材料。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於高熔點金屬粉末還可以是鎳Ni、鈮Nb、錳Mn、鐵Fe。
3.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於晶須還可以是氮化矽SiN或氧化錳Al2O3等金屬陶瓷材料。
全文摘要
本發明提出一種陶瓷晶須增強(韌)金屬間化合物基複合材料的製備方法，具體地說是將晶須與金屬間化合物中的高熔點金屬粉末混合，利用金屬間化合物的反應生成熱力學條件，在十分簡單的壓力鑄造設備上，藉助外界壓力將金屬間化合物中的低熔點金屬滲透到混合物中，反應生成含有一定量晶須的金屬間化合物，從而得到高強度、高韌性的金屬間化合物基複合材料。
文檔編號C04B35/56GK1145349SQ9510924
公開日1997年3月19日 申請日期1995年9月13日 優先權日1995年9月13日
發明者武高輝 申請人:哈爾濱工業大學