CN101555564B - 一种制备Mo(Si1-xMgx)2材料的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备Mo(Si1-xMgx)2材料的方法，将Mo粉、Si粉和Mg粉按照33.3mol％Mo、53.4～66.7mol％Si和0～13.3mol％Mg的莫尔比例混合均匀；然后压制成圆柱形粉末压坯；再将粉末压坯放入专门的燃烧合成装置中，排除装置中的空气，充入惰性气氛；通电点燃压坯，发生燃烧合成反应，合成Mg合金化改性材料Mo(Si1-xMgx)2。本发明利用燃烧合成技术快速制备了Mo(Si1-xMgx)2粉末，减少了Mg发生复合化生成MgO的几率，促进了Mg的合金化，避免了SPS等贵重设备的投资，减轻了机械合金化的污染，而且方法和设备简单、省时、节能。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备难熔高温结构化合物的方法，尤其是涉及一种制备Mo(Si1-xMgx)2材料的方法。
背景技术
主要以MoSi2为基的新型硅化物基复合材料(Silicide matrix composite，简称SMC)被认为是继Ni、Ti基超合金(使用温度800～1000℃)和结构陶瓷(使用温度＜1300℃)之后出现的极具竞争力的高温结构候选材料。其优势在于MoSi2具有较高的熔点(2030℃)；极好的高温抗氧化性；适中的密度(6.24g·cm-3)；较低的热膨胀系数(8.1×10-6K-1)；良好的电热传导性(电阻率21.5×10 -6Ω·cm，热导率50.0W·m-1·K-1)，可以进行电火花加工(EDM)；无污染和良好的环境友好性。但是MoSi2存在室温脆性(断裂韧性仅仅3.0_MPa·m1/2)，高温(＞BDTT，～900℃)易蠕变，以及低温(375～550℃)加速氧化现象三大缺陷，从而限制了它作为结构材料的应用。
为了改善MoSi2的力学性能，人们采用了第二相陶瓷颗粒复合化(例如SiC、Si3N4、ZrO2等)和/或第三种元素合金化(例如W、V、Nb、Al等)等手段对MoSi2进行了大量研究。但是机械强制复合法工艺复杂、花费昂贵、增强相难以分布均匀，特别是存在着复合相界面热力学的稳定性问题，从而为这类材料的进一步发展提出了挑战。因此，近年来人们倾向利用原位反应自生复合技术，而合金化恰好可以实现原位制备，合金强韧化MoSi2的研究受到国内外广大学者的广泛重视。
合金化的目的主要是降低材料的韧脆转变温度( 
TT)和增加室温断裂韧性，在MoSi2中Mo-Si之间形成很强的共价键，正是Mo-Si共价键使材料产生脆性，因此，Petrovic指出通过合金化弱化Mo-Si键将有助于MoSi2低温本征脆性的改善。Waghmare等从第一性原理出发计算，认为用V和Nb取代Mo，Mg和Al取代Si是合金强韧化的可行元素(U V Waghmare，VBulatov，EKaxiras.Microalloying for ductility in molybdenum disilicide.Mater Sci Eng，1999，A261：147-157.)。关于Al、Nb、V等元素合金化MoSi2的制备工艺、微观组织和力学性能等都有大量的报道，以Al合金化MoSi2的研究最为深入和透彻。用Al原子取代MoSi2晶胞中Si原子的位置，可以增加MoSi2中金属键的比例，改善晶体结构的对称性，提高MoSi2晶粒的断裂能量。随着Al含量的增加，晶体结构将从Cllb型MoSi2转变为C40型Mo(Si1-xMgx)2，C40型具有更好的高温抗氧化性，如果继续增加Al的含量，晶体结构将转变为C54型Mo(Si1-xMgx)2。Sharif和Petrovic等研究表明，用2at.％Al对MoSi2合金化可以将其室温硬度从899HV降低到743HV，BDTT降低到室温甚至更低，1600℃的高温强度从14MPa增加到55MPa(A A Sharif，A Misra，J J Petrovic，et al.Alloying of MoSi2 for improvedmechanical properties.Intermetallics，2001，9：869-873.)。合金元素V和Nb可以有效提高单晶MoSi2的高温强度。但是关于Mg合金化的报道却很少见到。
Shan和Park等把Mg粉添加到纯度99.9％MoSi2粉末中，通过1400℃×30min脉冲放电烧结形成了MoSi2-MgO复合材料，Mg和基体中的SiO2发生原位取代反应形成了MgO第二相，Mg没有进入MoSi2晶格内部起到合金化的作用(A Shan，F Wei，H Hashimoto.Effect of Mg addition on themicrostructure and mechanical properties of MoSi2 alloys.Scripta Mater，2002，46：645-648.)。Woolman和Munir等把Mo、Si、Mg元素粉末按照化学计量比混合，采用机械活化辅助SPS烧结的方法获得了Mo(Si1-xMgx)2材料，证明Mg确实进入了MoSi2晶格内部，但是缺少Mg进入晶格内部的作用机理和力学性能的探讨，并且他们采用日本生产的SPS设备，设备价格昂贵，制作成本高(J N Woolman，J J Petrovic，Z A Munir.Incorporating Mg into the Si sub-lattice of molybdenum disilicide[J].Scripta Mater，2003，48：819-824.)。Heron和Schaffer等机械合金化实验和计算机模拟结果都表明，向Mo:2Si混合粉末中加入16.7at.％Mg阻碍了反应球磨t-MoSi2的形成，促进了h-MoSi2的转变，同样缺少关于Mg进入MoSi2晶格内部合金化效果的报道(A J Heron，G B Schaffer.Mechanical alloying of MoSi2with ternary alloying elements.Part 1：Experimental.Mater Sci Eng，2003，A352：105-111.)。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种方法简单，效果好，节省资源和能源，获得产品速度快的Mg合金化改性MoSi2材料的制备方法。
本发明制备Mo(Si1-xMgx)2材料的方法：
a、取Mo粉、Si粉和Mg粉按照一定比例混合均匀；
b、将混合均匀的粉末压制成圆柱形粉末压坯；
c、将粉末压坯放入燃烧合成装置中，抽真空排除燃烧合成装置中的空气后，充入惰性气氛；
d、点燃压坯，发生化学反应，得到Mo(Si1-xMgx)2材料。
所述的Mo粉纯度大于99％、粒度小于10微米；所述的Si粉纯度大于98％、粒度小于74微米；所述的Mg粉纯度大于98％、粒度小于74微米；所述Mo粉、Si粉和Mg粉的比例是：Mo粉为33.3mol％，Si粉为53.4～66mol％，Mg粉为0.7～13.3mol％；所述的Mo(Si1-xMgx)2，材料中Mg替代Si的相对含量x 取值范围为0.01～0.2；所述的抽真空排除燃烧合成装置中的空气的真空度为-0.001MPa～-0.1MPa。
有益效果：本发明以Mo粉、Si粉和Mg粉为原料，利用燃烧合成技术快速制备了Mg合金化改性MoSi2粉末——Mo(Si1-xMgx)2，减少了Mg发生复合化形成MgO的几率，避免了MgO复合强韧化；促进了Mg进入MoSi2晶格内部，增加MoSi2中金属键的比例，改善晶体结构的对称性，提高晶粒的断裂能量，从而可以起到合金强韧化的作用。同时避免了SPS技术需要数百万贵重设备的投资以及难以实现量产的缺点；减轻了机械合金化过程中磨球和罐体对原料的污染以及球磨时间长、发生非晶化等不足。本发明的方法及设备简单、整个燃烧合成制备过程只需要数秒钟，最多不超过1分钟就可以得到Mo(Si1-xMgx)2，材料，无需专门的动力电源和冷却系统，因而具有省时、节能、占用空间小、成本低的特点。
具体实施方式
实施例一、首先将纯度为99％、粒度为3.3微米的Mo粉；纯度为98％、粒度为20微米的Si粉和纯度为98％、粒度为20微米的Mg粉按照33.3mol％Mo、66mol％Si和0.7mol％Mg的莫尔比例混合均匀，然后压成圆柱形粉末压坯，将粉末压坯放入专门的燃烧合成装置中，通过1次抽真空到-0.1MPa，然后充入惰性气氛，再用Mo丝通电点火，点燃压坯，并使压坯自身发生燃烧合成反应，得到Mo(Si0.99Mg0.01)2粉末。
实施例二、首先将纯度为99％、粒度为6.7微米的Mo粉；纯度为99％、粒度为40微米的Si粉和纯度为99％、粒度为40微米的Mg粉按照33.3mol％Mo、65.3mol％Si和1.4mol％Mg的莫尔比例混合均匀，然后压成圆柱形粉末压坯，将粉末压坯放入专门的燃烧合成装置中，通过1次抽真空到-0.01MPa，然后充入惰性气氛，再用Mo丝通电点火，点燃压坯，并使压坯自身发生燃烧合成反应，得到Mo(Si0.98Mg0.02)2粉末。
实施例三、首先将纯度为99％、粒度为10微米的Mo粉；纯度为99％、粒度为60微米的Si粉和纯度为99％、粒度为60微米的Mg粉按照33.3mol％Mo、64.6mol％Si和2.1mol％Mg的莫尔比例混合均匀，然后压成圆柱形粉末压坯，将粉末压坯放入专门的燃烧合成装置中，通过1次抽真空到-0.001MPa，然后充入惰性气氛，再用W丝通电点火，点燃压坯，并使压坯自身发生燃烧合 成反应，得到Mo(Si0.97Mg0.03)2粉末。
实施例四、首先将纯度为99％、粒度为10微米的Mo粉；纯度为99％、粒度为74微米的Si粉和纯度为99％、粒度为74微米的Mg粉按照33.3mol％Mo、62.7mol％Si和4.0mol％Mg的莫尔比例混合均匀，然后压成圆柱形粉末压坯，将粉末压坯放入专门的燃烧合成装置中，通过2次分别抽真空到-0.1MPa，并随抽真空后分别2次充入惰性气氛，然后用W丝通电点火，点燃压坯，并使压坯自身发生燃烧合成反应，得到Mo(Si0.94Mg0.06)2粉末。
实施例五、首先将纯度为99％、粒度为3.3微米的Mo粉；纯度为98％、粒度为74微米的Si粉和纯度为98％、粒度为74微米的Mg粉按照33.3mol％Mo、60.7mol％Si和6.0mol％Mg的莫尔比例混合均匀，然后压成圆柱形粉末压坯，将粉末压坯放入专门的燃烧合成装置中，通过2次分别抽真空到-0.01MPa，并随抽真空后分别2次充入惰性气氛，然后用W丝通电点火，点燃压坯，并使压坯自身发生燃烧合成反应，得到Mo(Si0.91Mg0.09)2粉末。
实施例六、首先将纯度为99％、粒度为3.3微米的Mo粉；纯度为98％、粒度为74微米的Si粉和纯度为98％、粒度为74微米的Mg粉按照33.3mol％Mo、58.7mol％Si和8.0mol％Mg的莫尔比例混合均匀，然后压成圆柱形粉末压坯，将粉末压坯放入专门的燃烧合成装置中，通过3次分别抽真空到-0.1MPa，并随抽真空后分别3次充入惰性气氛，然后用W丝通电点火，点燃压坯，并使压坯自身发生燃烧合成反应，得到Mo(Si0.88Mg0.12)2粉末。
实施例七、首先将纯度为99％、粒度为6.7微米的Mo粉；纯度为98％、粒度为40微米的Si粉和纯度为98％、粒度为40微米的Mg粉按照33.3mol％Mo、56.0mol％Si和10.7mol％Mg的莫尔比例混合均匀，然后压成圆柱形粉末压坯，将粉末压坯放入专门的燃烧合成装置中，通过4次分别抽真空到-0.1MPa，并随抽真空后分别4次充入惰性气氛，然后用W丝通电点火，点燃压坯，并使压坯自身发生燃烧合成反应，得到Mo(Si0.84Mg0.16)2粉末。
实施例八、首先将纯度为99％、粒度为10微米的Mo粉；纯度为98％、粒度为20微米的Si粉和纯度为98％、粒度为20微米的Mg粉按照33.3mol％Mo、53.4mol％Si和13.3mol％Mg的莫尔比例混合均匀，然后压成圆柱形粉末压坯，将粉末压坯放入专门的燃烧合成装置中，通过1次抽真空到-0.1MPa，然后充入惰性气氛，然后用Mo丝通电点火，点燃压坯，并使压坯自身发生燃烧合成反应，得到Mo(Si0.80Mg0.20)2粉末。
Claims (1)
1.一种制备Mo(Si1-xMgx)2材料的方法，其特征在于：
a、取Mo粉、Si粉和Mg粉按照Mo粉为33.3mol％，Si粉为53.4～66.0mol％，Mg粉为0.7～13.3mol％的比例混合均匀，其中Mo粉纯度大于99％、粒度小于10微米；Si粉纯度大于98％、粒度小于74微米；Mg粉纯度大于98％、粒度小于74微米；
b、将混合均匀的粉末压制成圆柱形粉末压坯；
c、将粉末压坯放入燃烧合成装置中，以-0.001MPa～-0.1MPa真空度抽真空排除燃烧合成装置中的空气后，充入惰性气氛；
d、点燃压坯，发生化学反应得到Mo(Si1-xMgx)2材料。
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