[發(fā)明專利]Nb?Si?Ti?Hf?ZrC復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610470780.5
• 申請(qǐng)日: 2016-06-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106086564B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 喻吉良;鄭欣;王峰;劉輝;夏明星
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北有色金屬研究院
• 主分類號(hào): C22C27/02
• 分類號(hào): C22C27/02;C22C32/00;C22C1/05;C22C1/10
• 代理公司: 西安創(chuàng)知專利事務(wù)所61213
• 代理人: 譚文琰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，各種新型飛行器飛行距離和飛行速度的提高，要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的推重比及工作效率，人們對(duì)輕質(zhì)、高強(qiáng)和抗氧化的高溫結(jié)構(gòu)材料提出了越來(lái)越高的要求。而現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)所用的鎳基高溫合金由于受其自身熔點(diǎn)的限制，使用溫度上限僅為1100℃。因此，研制替代鎳基超合金的超高溫材料勢(shì)在必行。鈮(Nb)是難熔金屬中密度最小元素，鈮合金與其它難熔金屬相比有高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的室溫塑性，良好的加工性能和焊接性能，能作為高溫結(jié)構(gòu)材料。但鈮合金在高溫氧化氣氛中災(zāi)難性的氧化行為嚴(yán)重研制了其在工程上的應(yīng)用。Nb₅Si₃金屬間化合物，具有優(yōu)異的機(jī)械和物理性能，譬如：高熔點(diǎn)(2783K)，低密度、高硬度、良好的高溫強(qiáng)度。因此，Nb₅Si₃金屬間化合物在超高溫結(jié)構(gòu)材料上有著潛在的應(yīng)用前景。但是，Nb₅Si₃具有低的室溫?cái)嗔秧g性，阻礙了它作為高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。Nb具有高熔點(diǎn)(2468℃)和良好的室溫塑性及韌性，熱膨脹系數(shù)與鈮硅化合物相近。鈮和Nb₅Si₃在較大的溫度范圍和較寬的成份范圍內(nèi)能穩(wěn)定共存，兩相之間具有良好的界面相容性和熱力學(xué)穩(wěn)定性。另外，Nb-Si復(fù)合材料有寬的Nb₅Si₃和Nbss(鈮固溶體)兩相區(qū)，可通過(guò)共晶和共析反應(yīng)產(chǎn)生微觀組織變化制備復(fù)合材料。因此，由韌性較好的鈮和鈮硅化合物組成的Nb-Si復(fù)合材料被認(rèn)為是最有開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景的超高溫結(jié)構(gòu)材料之一。然而，Nb-Si復(fù)合材料在高溫氧化氣氛中迅速氧化失重，使Nb-Si復(fù)合材料難以在工程上得到應(yīng)用。添加Ti、V、Hf、Zr、Cr、Mn、Si和Be等元素可減小氧在鈮中的擴(kuò)散率，從而改善Nb-Si復(fù)合材料的抗氧化性能。合金化的方法雖對(duì)Nb-Si復(fù)合材料的抗氧化性能有所改善，但合金化元素的加入量必須超過(guò)一個(gè)臨界值才能對(duì)基體起到保護(hù)作用，這將惡化材料的其他性能，特別是造成基體高溫機(jī)械性能的下降。因此，通過(guò)單一的合金化方法無(wú)法獲得韌性好、熔點(diǎn)高、高溫強(qiáng)度高和抗氧化的Nb-Si復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料，該Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料在室溫條件下的抗拉強(qiáng)度為627MPa～785MPa，斷裂韌性為11MPa·m^1/2～18MPa·m^1/2，1300℃抗拉強(qiáng)度為315MPa～426MPa，在1300℃空氣環(huán)境中氧化100h后材料損失僅為0.037mg/cm²～0.015mg/cm²，具有高強(qiáng)度、高韌性和高溫抗氧化的特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于1300℃的空氣環(huán)境中。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料，其特征在于，由以下摩爾百分比的成分組成：Si 3％～11％，Ti 4％～12％，Hf 3％～7％，ZrC 3％～7％，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。

上述的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料，其特征在于，由以下摩爾百分比的成分組成：Si 4％～10％，Ti 6％～10％，Hf 4％～6％，ZrC 4％～6％，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。

上述的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料，其特征在于，由以下摩爾百分比的成分組成：Si 7％，Ti 8％，Hf 5％，ZrC 5％，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。

另外，本發(fā)明還提供了一種制備上述Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、將Si粉、Ti粉、Hf粉、ZrC粉和Nb粉置于球磨機(jī)中球磨混合均勻，然后在真空條件下烘干，粉碎后得到混合粉料；

步驟二、將步驟一中所述混合粉料置于熱壓燒結(jié)爐中，在真空度不大于1.2×10^-2Pa，溫度為1700℃～1800℃，壓力為30MPa～50MPa的條件下熱壓燒結(jié)1h～2h，隨爐冷卻后得到Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料。

上述的方法，其特征在于，步驟一中所述Si粉、Ti粉和ZrC粉的質(zhì)量純度均不小于99％，所述Hf粉的質(zhì)量純度不小于98％，所述Nb粉的質(zhì)量純度不小于99.9％。