[發(fā)明專利]一種二硼化鋯基超高溫陶瓷低溫高速超塑性成形方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110035332.3
• 申請(qǐng)日: 2021-01-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112794720B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 祖宇飛;田洪亮;劉應(yīng)軍;徐一;魏志帆;沙建軍;代吉祥;陳國(guó)清
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B35/58
• 分類號(hào): C04B35/58;C04B35/622;C04B35/626;C04B41/80
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 劉秋彤;梅洪玉

本發(fā)明提供一種二硼化鋯基超高溫陶瓷低溫高速超塑性成形方法，屬于超高溫陶瓷的成形領(lǐng)域。該方法在二硼化鋯內(nèi)引入適量的二硅化物，進(jìn)而得到納米陶瓷粉體，然后將納米陶瓷粉體經(jīng)燒結(jié)制得燒結(jié)坯體，然后在特定的溫度區(qū)間和應(yīng)力的共同作用下，利用超塑性擠壓的方式在短時(shí)間內(nèi)獲得接近于最終形狀的超高溫陶瓷產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)精磨制得超高溫陶瓷零件。經(jīng)改良的超高溫陶瓷能夠在較高的初始應(yīng)變速率、較低的溫度、以及較低的應(yīng)力下，在較短的時(shí)間內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)超過(guò)100％的塑性變形，使得該材料的超塑性成形具有了工程應(yīng)用的意義。利用該方法可以實(shí)現(xiàn)超高溫陶瓷復(fù)雜形狀構(gòu)件的近凈成形，解決了二硼化鋯基超高溫陶瓷由于硬度高、脆性大等而加工困難的問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超高溫陶瓷的成形領(lǐng)域，具體涉及一種二硼化鋯基超高溫陶瓷低溫高速超塑性成形方法。

背景技術(shù)

二硼化鋯(ZrB₂)基超高溫陶瓷具有優(yōu)越的剛度、硬度和強(qiáng)度等力學(xué)性能，具有極高的熔點(diǎn)和化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫有氧環(huán)境下具有優(yōu)異的抗氧化和抗燒蝕性能。因此該材料是在超高溫、有氧或中性氣氛、復(fù)雜載荷等極端環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間服役的首選結(jié)構(gòu)材料，可廣泛應(yīng)用于高超聲速飛行器熱防護(hù)部件、高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)、超高溫電極等工業(yè)領(lǐng)域。

超高溫陶瓷材料硬度高、塑性差，無(wú)法像金屬一樣進(jìn)行傳統(tǒng)的塑性加工，常規(guī)的機(jī)加工方式也難以生產(chǎn)出具有復(fù)雜形狀的超高溫陶瓷零部件。現(xiàn)階段，具有復(fù)雜形狀的超高溫陶瓷零部件的近凈成形技術(shù)有：無(wú)壓燒結(jié)和等離子噴涂。無(wú)壓燒結(jié)法可在素坯階段通過(guò)干/濕法成形，適合制備形狀復(fù)雜的大型構(gòu)件，但依然面臨著坯體收縮幅度大，成品尺寸和公差控制難的傳統(tǒng)問(wèn)題。等離子噴涂成型雖然可以制造復(fù)雜形狀零件，但只能制備薄壁和涂層，無(wú)法滿足較大尺寸零件(如飛行器的鼻錐、機(jī)翼前緣等)的要求。鑒于上述方法的局限性，有必要開(kāi)發(fā)一種高精度、高效率，且能夠制備大尺寸復(fù)雜形狀ZrB₂基超高溫陶瓷零部件的方法。

細(xì)晶陶瓷材料在高溫下能夠產(chǎn)生一定的超塑性變形能力，其機(jī)理為：細(xì)晶陶瓷在足夠高的溫度和應(yīng)力的共同作用下，在足夠低的應(yīng)變速率下，能夠利用微觀上的晶界滑移和晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生宏觀上的超塑性變形，即變形量超過(guò)100％且不會(huì)產(chǎn)生裂紋。利用超塑性特征，可根據(jù)零部件尺寸設(shè)計(jì)擠壓、氣漲、拉深等模具，將陶瓷燒結(jié)體加工成為具有特殊形狀的零部件，該方法具有成品件精度高、零件尺寸不受限制等優(yōu)點(diǎn)。

然而，超高溫陶瓷由于其自身的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵特征，其能夠產(chǎn)生超塑性變形的溫度通常需要達(dá)到1900-2100℃，加工能源消耗巨大；且應(yīng)變速率僅為10^-5-10^-9s^-1。如此低的應(yīng)變速率導(dǎo)致其產(chǎn)生50％的變形量需要長(zhǎng)達(dá)幾百甚至上千分鐘，因此不具備工程應(yīng)用的基本條件。(譬如專利《一種陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用》，專利號(hào)：201310460525.9，制備出一種以二硼化鋯為基體相，以二硅化鋯為燒結(jié)助劑，以多壁碳納米管為添加劑的復(fù)合材料；燒結(jié)后材料中含有碳化鋯與硅化鋯，很難對(duì)其加工成形。)鑒于以上技術(shù)難點(diǎn)，提高超高溫陶瓷的超塑性變形能力，在相對(duì)較低的溫度下，在較短的時(shí)間內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)較大的變形量而不產(chǎn)生裂紋，是該材料超塑性成形具有工程應(yīng)用潛力的關(guān)鍵。超高溫陶瓷的超塑性成形技術(shù)投入工程應(yīng)用，有望解決超高溫陶瓷近凈成形難的瓶頸問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決超高溫陶瓷難以近凈成形的問(wèn)題，為超高聲速飛行器熱防護(hù)部件、高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱部件等復(fù)雜形狀零部件的高精度近凈成形提供了解決方案。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種二硼化鋯基超高溫陶瓷低溫高速超塑性成形方法，通過(guò)在二硼化鋯內(nèi)部引入適量的二硅化物，使二硼化鋯產(chǎn)生了大量的非晶態(tài)晶界進(jìn)而大幅提升了超高溫陶瓷的超塑性變形能力。首先將納米陶瓷粉體經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)制得燒結(jié)坯體，然后在特定的溫度區(qū)間和應(yīng)力的共同作用下，利用超塑性擠壓的方式在較短的時(shí)間內(nèi)獲得接近于最終形狀的超高溫陶瓷產(chǎn)品，最終經(jīng)過(guò)精磨制得超高溫陶瓷零件。

其材料成分及具體步驟如下：