CN110453104A

CN110453104A - 一种钛基SiC-Ti混杂梯度材料及其制备方法

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Publication number: CN110453104A
Application number: CN201910835161.5A
Authority: CN
Inventors: 张艳苓; 侯红亮; 王耀奇
Original assignee: AVIC Manufacturing Technology Institute
Current assignee: AVIC Manufacturing Technology Institute
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2019-11-15
Anticipated expiration: 2039-09-05
Also published as: CN110453104B

Abstract

本发明涉及一种钛基SiC‑Ti混杂梯度材料，所述钛基SiC‑Ti混杂梯度材料由纯Ti层开始，通过不同质量比Ni₃Al/Ti混合梯度层逐渐过渡到纯Ni₃Al层，然后由不同质量比SiC/Ni₃Al混合梯度层逐渐过渡到纯SiC层，从而形成SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料。本发明通过在SiC/Ti梯度材料中引入Ni₃Al过渡层，形成Ni₃Al/Ti梯度过渡和SiC/Ni₃Al梯度过渡的双梯度SiC/Ni₃Al/Ti复合材料，Ni₃Al梯度过渡层的引入，一方面解决了SiC/Ti梯度材料直接高温烧结时SiC和Ti反应生成TiC和Ti₅Si₃脆性相问题。

Description

一种钛基SiC-Ti混杂梯度材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料制造技术领域，特别是涉及一种钛基SiC-Ti混杂梯度材料及其制备方法。

背景技术

金属/陶瓷梯度材料是指一侧具有高强度、高韧性的金属材料，另一侧则是具有耐高温、耐腐蚀特性的陶瓷材料，而中间是组成、结构、性能成连续性或准连续变化的梯度过渡层，这种材料不仅具有陶瓷的耐高温、抗腐蚀和金属材料的强度高、韧性好的特点，而且还能够很好地解决金属和陶瓷之间热膨胀系数不匹配问题，避免或缓解了材料受热时界面处由于物性差异太大而在使用过程中产生应力集中、开裂及剥落等缺陷，使材料在超高温环境下具有良好的抗断裂、耐热冲击以及缓和内热应力的性能。另外，功能梯度材料具有很好的可设计性，可以通过有针对性地改变各组分材料体积含量的空间分布，以达到优化结构内部应力分布，满足不同部位对材料使用性能的要求。

金属/陶瓷梯度材料的制备方法主要有自蔓延高温燃烧合成法、等离子喷涂法、气相沉积法、热压烧结法等。真空热压烧结是目前制备金属/陶瓷功能梯度材料最常用、最简单的方法，通过控制和调节原料粉末的粒度分布、烧结温度、烧结时间和烧结收缩的均匀性获得热应力缓和的功能梯度材料，该方法的优点是设备简单、易于操作、成本低，并且和塑性成形技术相结合可以实现大尺寸、曲面外形梯度结构的制备。

在金属材料中Ti的密度较小，宜作为金属基体，SiC陶瓷不仅具有密度低(密度仅为3.2g/cm3)的特点，而且具有良好的高温力学性能和优异的抗氧化性，其高温强度可一直维持在1600℃，是高温强度和抗氧化性最好的非氧化物陶瓷材料，SiC/Ti梯度材料可在高超音速飞行器蒙皮、发动机燃烧室内壁等高温热防护结构中具有很大的应用潜力，因而对SiC/Ti梯度材料的研究很受欢迎。R.Vaβen等以粒度20nm的SiC粉为原材料，1wt％的B粉和C粉为烧结助剂，采用热压烧结工艺，在1600℃烧结4h制备的SiC陶瓷样品致密度仅为54％；烧结温度提高至1650℃，样品致密度也仅提升至64％。液相烧结的常用烧结助剂为Al₂O₃+Y₂O₃，二者可以在高温下反应生成液相YAG，实现碳化硅陶瓷的致密化烧结。S.K.Lee等以6wt％Al₂O₃+4wt％Y₂O₃为烧结助剂，在2000℃进行1h和4h的常压烧结。烧结1h的试样晶粒尺寸为1～2.5μm，致密度为99.1％；烧结4h的试样晶粒长6～12μm，宽2～4μm，致密度为99％。随着烧结时间的延长，晶粒沿长轴方向被拉长，致密度略有降低。作为对比，以β-SiC为原材料，以3wt％C+1wt％B₄C为烧结助剂，在在2100℃进行1h的常压烧结制备的SiC晶粒长3～13μm，宽1～2μm，致密度为98.5％。黄汉铨等以α-SiC为原材料，采用Al-B-C系烧结助剂，在2200℃、50MPa下进行热压烧结25min，得到的SiC致密度高达99％。Moberlychan等以3％Al+1％B+2％C为烧结助剂，在1650℃下烧结1h实现了SiC的致密化，其致密度达到99％。

SiC陶瓷真空热压烧结温度高，难以实现低温致密化一直是制约SiC/Ti梯度材料制备的关键问题。通常情况下，碳化硅陶瓷的致密化烧结需要在2000℃以上的温度下加入烧结助剂进行。加入的烧结助剂种类不同，烧结致密化机制也有所差异。根据烧结过程中是否产生液相，碳化硅陶瓷的致密化烧结主要可分为固相烧结和液相烧结。碳化硅陶瓷的固相烧结主要采用B-C系烧结助剂，一般需要高于2100℃的烧结温度，在稍低的温度下难以实现致密化。

无论是固相烧结还是液相烧结，都需要在较高的温度下完成，同时需要加入大量的烧结助剂以实现较低温度下的烧结。通过烧结法在1500℃以下进行致密碳化硅陶瓷的方法鲜有报道。高温下的制备不但对烧结设备要求高而降低了烧结的可操作性，同时带来能源消耗、成本提高等一系列实际问题。大量的烧结助剂的加入也使得碳化硅陶瓷的纯净度受到一定的影响。因此，选择合适的烧结助剂，在一定的工艺参数下进行致密碳化硅陶瓷的低温烧结具有极其重要的意义。

现有技术中采用真空热压烧结技术制备SiC/Ti梯度材料，SiC陶瓷的烧结温度比较高，通常在1800℃以上，而金属Ti的熔点为1660℃，远低于陶瓷的烧结温度，因而实现金属/陶瓷梯度材料在金属熔点以下的低温高质量烧结是目前金属陶瓷梯度材料制备中不能很好解决的问题。另外，Ti和SiC在高温烧结过程中会发生反应生成TiC和Ti₅Si₃相，脆性相的生成会影响梯度材料的界面结合质量和力学性能，如何避免梯度材料制备过程中Ti和SiC反应也是获得高质量SiC/Ti梯度材料亟需解决的关键问题。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种钛基SiC-Ti混杂梯度材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

(2)技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种钛基SiC-Ti混杂梯度材料，所述钛基SiC-Ti混杂梯度材料由纯Ti层开始，通过不同质量比Ni³Al/Ti混合梯度层逐渐过渡到纯Ni³Al层，然后由不同质量比SiC/Ni₃Al混合梯度层逐渐过渡到纯SiC层，从而形成SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料。

进一步地，所述SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料共8层，每一层梯度层的成份分别为：第1层：100％Ti；第2层：50％Ti+50％Ni₃Al；第3层：100％Ni₃Al；第4层：80％Ni₃Al+20％SiC；第5层：60％Ni₃Al+40％SiC；第6层：40％Ni₃Al+60％SiC；第7层：20％Ni₃Al+80％SiC；第8层：100％SiC。

进一步地，所述SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料中每层厚度为1.5mm，总厚度12mm。

进一步地，所述SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料中第4层～第8层的SiC中均添加有SiC的烧结助剂。

进一步地，所述SiC的烧结助剂为Mg粉和Cr₃C₂的混合物。

进一步地，所述SiC的烧结助剂为每层SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料中SiC质量的8％。

进一步地，所述SiC的烧结助剂中包括以下重量百分比原料：Mg5％、Cr₃C₂3％。

第二方面，提供了一种钛基SiC-Ti混杂梯度材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)粉末称量：利用高精度物理天平按上述质量比称取每层所需SiC粉、Ni₃Al粉、Ti粉、Mg粉和Cr₃C₂粉的粉末，其中粉末的粒度分别为40μm、82μm、100μm、68μm、40μm；

(2)混粉：将每层所需的粉末放在一起，利用混粉搅拌机将每层的混合粉末进行搅拌均匀，混粉搅拌时间为0.5～4h；

(3)铺层、冷压：将混合好的粉末逐层铺叠在圆柱形石墨模具中，模具内腔直径30mm，将模具放在压力机上进行冷压半致密化，冷压半致密化压力为5～20MPa，获得梯度材料预制坯；

(4)真空热压烧结：将冷压后的装有预制坯的模具放入真空热压烧结炉内，进行热压烧结，获得SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料。

进一步地，所述真空热压烧结炉内热压烧结条件为：先以1200～1350℃的烧结温度进行烧结，达到烧结温度后，再施加P0＝5～10MPa预压力，保压10～60min，至SiC/Ni₃Al/Ti混杂梯度材料充分烧结，随后再施加P＝30～50MPa压力进行致密化，即可。

进一步地，所述(4)中获得SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料的致密度为97.8％。

(3)有益效果

本发明在SiC陶瓷中添加Mg-Cr₃C₂复合型烧结助剂，降低SiC陶瓷的烧结温度，提高SiC陶瓷的低温烧结致密度，可以节省能源。同时通过在SiC/Ti梯度材料中引入Ni₃Al过渡层，形成Ni₃Al/Ti梯度过渡和SiC/Ni₃Al梯度过渡的双梯度SiC/Ni₃Al/Ti复合材料，Ni₃Al梯度过渡层的引入，一方面解决了SiC/Ti梯度材料直接高温烧结时SiC和Ti反应生成TiC和Ti₅Si₃脆性相问题，另一方面通过Ni₃Al/Ti和SiC/Ni₃Al的双梯度过渡，降低材料内部应力，从而提高SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料的整体制备质量，获得SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料致密度达到97％以上，此外Ni₃Al的熔点为1395℃，比Ti熔点低，因此，SiC/Ni₃Al/Ti双梯度复合材料的制备温度控制在1300℃以下即可，提高了烧结效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明SiC/Ni₃Al/Ti双梯度复合材料结构示意图；

图2为SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料制备中烧结过程的升温和加压曲线图；

图3是SiC/Ni³Al/Ti梯度材料微观组织图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1：

本实施例钛基SiC-Ti混杂梯度材料采用的原材料为SiC粉、Ni₃Al粉、Ti粉、Mg粉和Cr₃C₂粉，其中粉末的粒度分别为40μm、82μm、100μm、68μm、40μm，SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料共8层，每层厚度为1.5mm，总厚度12mm，每一层梯度层的成份分别为：第1层：100％Ti；第2层：50％Ti+50％Ni₃Al；第3层：100％Ni₃Al；第4层：80％Ni₃Al+20％SiC；第5层：60％Ni₃Al+40％SiC；第6层：40％Ni₃Al+60％SiC；第7层：20％Ni₃Al+80％SiC；第8层：100％SiC；双梯度复合材料结构示意图如图所示；

作为一种优选实施方式，SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料中第4层～第8层的SiC中均添加有SiC的烧结助剂，且每层SiC的烧结助剂的总质量为该层SiC质量的8％。

作为另一种优选实施方式，SiC的烧结助剂为Mg粉和Cr₃C₂的混合物。

作为另一种优选实施方式，SiC的烧结助剂中包括以下重量百分比原料：Mg 5％、Cr₃C₂3％。

钛基SiC-Ti混杂梯度材料具体制备工艺流程如下：

(1)粉末称量：利用高精度物理天平按上述质量比称取每层所需的粉末；

(2)混粉：将每层所需的粉末放在一起，利用混粉搅拌机将每层的混合粉末进行搅拌均匀，混粉搅拌时间为0.5h；

(3)铺层、冷压：将混合好的粉末逐层铺叠在圆柱形石墨模具中，模具内腔直径30mm，将模具放在压力机上进行冷压半致密化，冷压半致密化压力为5MPa，获得梯度材料预制坯；

(4)真空热压烧结：将冷压后的装有预制坯的模具放入真空热压烧结炉内，进行热压烧结，先以1200℃的烧结温度进行烧结，达到烧结温度后，再施加P0＝5MPa预压力，保压10min，至SiC/Ni₃Al/Ti混杂梯度材料充分烧结，随后再施加P＝30MPa压力进行致密化，升温和加压曲线图如图2所示，即可获得SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料，材料的微观组织如图3所示。

实施例2：

本实施例钛基SiC-Ti混杂梯度材料采用的原材料与实施例1相同，唯有不同的是制备工艺不同，具体制备工艺流程如下：

(2)混粉：将每层所需的粉末放在一起，利用混粉搅拌机将每层的混合粉末进行搅拌均匀，混粉搅拌时间为4h；

(3)铺层、冷压：将混合好的粉末逐层铺叠在圆柱形石墨模具中，模具内腔直径30mm，将模具放在压力机上进行冷压半致密化，冷压半致密化压力为20MPa，获得梯度材料预制坯；

(4)真空热压烧结：将冷压后的装有预制坯的模具放入真空热压烧结炉内，进行热压烧结，先以1350℃的烧结温度进行烧结，达到烧结温度后，再施加P0＝10MPa预压力，保压60min，至SiC/Ni₃Al/Ti混杂梯度材料充分烧结，随后再施加P＝50MPa压力进行致密化，即可获得SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料。

实施例3：

(2)混粉：将每层所需的粉末放在一起，利用混粉搅拌机将每层的混合粉末进行搅拌均匀，混粉搅拌时间为2h；

(3)铺层、冷压：将混合好的粉末逐层铺叠在圆柱形石墨模具中，模具内腔直径30mm，将模具放在压力机上进行冷压半致密化，冷压半致密化压力为10MPa，获得梯度材料预制坯；

(4)真空热压烧结：将冷压后的装有预制坯的模具放入真空热压烧结炉内，进行热压烧结，先以1300℃的烧结温度进行烧结，达到烧结温度后，再施加P0＝10MPa预压力，保压15min，至SiC/Ni₃Al/Ti混杂梯度材料充分烧结，随后再施加P＝50MPa压力进行致密化，即可获得SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料，材料的致密度为97.8％。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims

1.一种钛基SiC-Ti混杂梯度材料，其特征在于，所述钛基SiC-Ti混杂梯度材料由纯Ti层开始，通过不同质量比Ni³Al/Ti混合梯度层逐渐过渡到纯Ni³Al层，然后由不同质量比SiC/Ni³Al混合梯度层逐渐过渡到纯SiC层，从而形成SiC/Ni³Al/Ti梯度材料。

2.根据权利要求1所述的钛基SiC-Ti混杂梯度材料，其特征在于，所述SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料共8层，每一层梯度层的成份分别为：第1层：100％Ti；第2层：50％Ti+50％Ni₃Al；第3层：100％Ni₃Al；第4层：80％Ni ₃Al+20％SiC；第5层：60％Ni ₃Al+40％SiC；第6层：40％Ni₃Al+60％SiC；第7层：20％Ni₃Al+80％SiC；第8层：100％SiC。

3.根据权利要求2所述的钛基SiC-Ti混杂梯度材料，其特征在于，所述SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料中每层厚度为1.5mm，总厚度12mm。

4.根据权利要求2所述的钛基SiC-Ti混杂梯度材料，其特征在于，所述SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料中第4层～第8层的SiC中均添加有SiC的烧结助剂。

5.根据权利要求4所述的钛基SiC-Ti混杂梯度材料，其特征在于，所述SiC的烧结助剂为Mg粉和Cr₃C₂的混合物。

6.根据权利要求4所述的钛基SiC-Ti混杂梯度材料，其特征在于，所述SiC的烧结助剂为每层SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料中SiC质量的8％。

7.据权利要求5或6所述的钛基SiC-Ti混杂梯度材料，其特征在于，所述SiC的烧结助剂中包括以下重量百分比原料：Mg 5％、Cr₃C₂3％。

8.一种如权利要求1-7所述的钛基SiC-Ti混杂梯度材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的钛基SiC-Ti混杂梯度材料的制备方法，其特征在于，所述真空热压烧结炉内热压烧结条件为：先以1200～1350℃的烧结温度进行烧结，达到烧结温度后，再施加P0＝5～10MPa预压力，保压10～60min，至SiC/Ni ₃Al/Ti混杂梯度材料充分烧结，随后再施加P＝30～50MPa压力进行致密化，即可。

10.根据权利要求8所述的钛基SiC-Ti混杂梯度材料的制备方法，其特征在于，所述(4)中获得SiC/Ni₃Al/Ti梯度材料的致密度为97.8％。