CN1039115C - 氧化镁－镍系梯度功能材料的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的氧化镁-镍系的梯度功能材料的制造方法。在材料中当MgO与Ni的组成分布指数P＝1.8时，可获得由有限元法模拟的材料的最大热应力缓和值70%。P＝1.0为最佳组成指数，该指数可获得良好的综合热应力缓和性能。进一步调节原料粒度、添加剂与烧结特性以及成型收缩之间的平衡，用真空和热压烧结方法可制得宏观无缺陷的MgO-Ni系梯度功能材料。

Description

氧化镁-镍系梯度功能材料的制造方法

本发明涉及MgO-Ni系梯度功能材料的制造方法。

随着航空航天以及原子能等现代工业技术的发展，对材料性能的要求也越来越高，象航天飞机燃烧室内壁以及机体表面的材料，它们一侧暴露在2000K左右的高温燃烧气体下，而另一侧则处于液氢和液氦的冷却中，在使用过程中，在材料内部产生极大的热应力，传统陶瓷材料、金属材料以及两者的复合材料均不能满足要求。因此从八十年代中期开始，国际上开始研究一种新型金属--陶瓷复合材料--梯度功能材料。这种材料在其高温侧使用高性能陶瓷材料，在低温侧则使用耐高温合金，使其中间的组成与性能从陶瓷至金属呈连续变化而达到使材料内部的热应力得到缓和的目的，进而使材料具有一定的耐热冲击特性和隔热性能。

由于金属与陶瓷的物理、化学、力学性质(如热膨胀系数、热导率、弹性模量、泊松比、强度、晶格常数、润湿性等)相差较大，因此，这种材料在制造及使用过程中，往往出现翘曲，金属与陶瓷分层或者剥离，而导致材料破坏。为了保持金属与陶瓷在物理、化学及力学性质上具有良好的匹配性，并使制备的梯度材料具有良好的热应力缓和性能，耐热冲击特性。隔热性能以及一定的使用寿命，材料体系的选择以及制造工艺的研究是其关键。

国际上目前用不同制造方法(如CVD、PVD、粉末铺层法、自蔓延燃烧合成法、等离子熔射法)针对不同金属-陶瓷梯度功能材料体系(如C-SiC、TiC-SiC、TiB₂-Cu、ZiO₂-Ni等)进行了热应力缓和设计及制备，但是对MgO-Ni系梯度功能材料的研究还未见报道。

本发明选择MgO-Ni作为研究体系，因为MgO是一种性能良好的高温陶瓷，它具有高温热稳定性好，耐高温碱气氛腐蚀及高温电绝缘性能好等优点，并且MgO与Ni两者的热膨胀性能较匹配，烧结条件大体一致，因此MgO-Ni系梯度功能材料有可能用于磁流体发电机(MHD)通道内壁材料。

本发明的MgO-Ni梯度功能材料的制造方法是首先取MgO与Ni的组成分布其梯度体积分数变化规律为

，其中I是任一梯度层位置座标、d是各梯度层的总厚度、P是组成分布形状指数；然后，根据所设计的组成分布填充结构、精确计算和称重各梯度层填充量，进行精细填充、制成试样块；然后将该试样块在80～120MP2静水压条件下予成型，再在真空度大于1×10^-3Pa，温度为1280～1340℃下烧结1.5-2.5小时、或将试样块在28～32MPa压力，1280～1320℃温度，热压烧结1小时左右，然后降温至1000～800℃左右降压，而制得MgO-Ni梯度材料。

下面结合附图详细叙述本发明的原理及方法。

图1是不同分布指数P下的热应力分布。

图2是不同分布指数P与最大热应力中心位置关系。

图3是P＝1.0的MgO/Ni系梯度材料的实际填充图

图4是MgO/Ni系梯度材料∮30的热压烧结样照片。

图5是MgO/Ni系梯度材料∮24的真空烧结样照片。

本发明对MgO-Ni体系、选择六种不同组成含量比的MgO-Ni复合材料，在橡胶包套内、100Mpa静水压处理后、于真空度大于1.0×10^-3Pa、1300℃条件下进行100分钟烧结、将烧结体制成标准试样后，测定其物性参数(相对密度、杨氏模量、弯曲强度、泊松比、热膨胀率)，如表1。根据物性参数测定结果，对MgO-Ni系梯度功能材料进行热应力计算和结构设计。计算模型取实际制备的圆盘状样品，厚度6mm、直径30mm，组成分割15层，样品从1000℃冷至室温，模型的物性参数取为实测值，中间梯度层的物性参数通过实测值的插值求得。梯度层的体积分数变化规律取为幂函数形式：C＝(I/d)^p，d是各梯度层的总厚度，I是任一梯度层的位置座标，p是组成分布形状指数，对不同的组成分布指数，用有限元方法计算样品中的热应力。

计算时，P的取值从0.6～2.8变化，结果发现，对梯度功能材料试样，σ_zz、σ_rr、σ₀₀三个应力分量、在P＝1.8附近时，呈现最小，热应力缓和效果最明显，其中σ_rr缓和70％(如图1)。但是从不同P值下的最大热应力发生位置及其对应的FGM结构梯度层(如图2)关系知，尽管P＝1.8时，σ_rr、σ₀₀取得最小，但该值为40MPa已十分接近MgO含量为40vol％的梯度层的许可强度42MPa，当P1.0时，最大应力中心位于纯金属Ni层中，此应力远远小于纯金属Ni的实测强度值163MPa，足以承受该应力。在综合考虑热应力最小与其发生部位的许可强度值的基础上，合理调节P值，使最大应力σ₀₀、σ₀₀所发生的梯度层处于具有最高拉伸强度的纯金属层，在组份优化之后，进一步考虑最大热应力发生位置以及纯陶瓷侧所能承受的局部拉应力，最后确定梯度功能材料的组成结构。这是控制梯度材料在制备过程中，不发生破坏的结构设计准则，根据我们得到的这一准则，取P＝1作为设计结果。

MgO-Ni系梯度功能材料按图3所示的组成分布，采用真空烧结及热压烧结两种方法制备。实际真空烧结梯度材料时，坯体在升温、烧结及降温过程都处于无外力约束状态。因此，混合粉料的颗粒度、外加剂、成型变形及烧结收缩等进行综合调整，对于制造无缺陷样品尤为重要。

本发明在制造MgO-Ni系梯度功能材料时，MgO是用MgO(OH)₂分解得到，其粒度为0.3μm，并掺入了0.1～0.5％Fe₂O₃絮状微粉，Ni原料是羰基Ni粉，粒度为3～7μm，为了克服用0.3μm的絮状粉与Ni粉混合时，由于各样之间的成型密度的较大差别，加上纯陶瓷侧最终生坯密度相对较低，而导致生坯在陶瓷侧出现应力裂纹以及烧结总收缩不协调等问题，实验中掺入10～30wt％的2～10μm的大颗粒MgO粉末，来增加MgO成型密度和减少烧结中各层之间产生的线收缩之差。

本发明用粉末铺层法填充梯度功能材料时，根据组成分布填充结构和样品尺寸，精确计算和称重各梯度层的填充量。进行精细填充。真空烧结时，填充样品预先在80～120Mpa静水压条件下予成型，再在1280～1340℃、1.5～2.5小时，1×10^-3Pa条件下进行烧结。热压烧结在1280～1320℃、28MPa、1小时条件下进行，卸压温度在1000～800℃之间，两种方法分别得到尺寸为：直径∮≈24mm、厚6mm，以直径为30mm、厚6mm的完整无宏观缺陷的梯度功能材料试样(图4)。

表1MgO/Ni系复合烧结体的物性参数

MgO体积％	100	80	60	40	20	0
							试样号	A	B	C	D	E	F
相对密度(％ )	71	64	62	72	83	93
							杨氏模数(GPa)	104	52	60	56	105	146
弯曲强度(MPa)	74	49	29	42	108	163
							泊松比	0.16	0.18	0.27	0.26	0.26	0.35
温度膨胀系数(×10/k)	12.8	12.9	13.5	14.3	14.5	15.1

Claims (4)

1、一种氧化镁-镍系梯度功能材料的制造方法，其特征在于：

a、WgO与Ni的组成分布其梯度体积分数变化规律为C＝(I/d)^p，其中I是任一梯度层位置座标，d是各梯度层的总厚度，p是组成分布形状指数，其值域为0.6～2.8；

b、然后，根据所设计的组成分布填充结构，精确计算和称重各梯度层填充量，进行精细填充，制成试样块；

c、然后，将试样块在100MPa的静水压条件下予成型，再在真空度大于1×10^-3Pa，温度为1280-1340℃下烧结1.5～2.5小时，或将试样块在28～32MPa压力，1280～1320℃温度，热压烧结1小时左右，然后降温至1000～800℃左右卸压，而制得MgO-Ni梯度功能材料。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于当P＝1.8时，获得以有限元法计算的材料热应力缓和值为70％。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于当P＝1时，该材料的最大热应力发生位置及纯陶瓷侧受局部拉应力状态为最佳。

4、根据权利要求1和3所述的方法，其特征在于在含0.1～0.5wt％的Fe₂O₃的0.3μm的MgO粉料中掺入10～30wt％的粒度为2～10μm的大颗粒MgO。

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