專(zhuān)利名稱(chēng)：高溫材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于高溫環(huán)境中的材料。
背景技術(shù)：
在高于1100℃的溫度時(shí)用于例如發(fā)熱元件以及其它高溫應(yīng)用環(huán)境中用于結(jié)構(gòu)細(xì)部元件等結(jié)構(gòu)中的形成氧化物并且耐腐蝕的所有高溫材料中，包括SiO2形成材料，例如碳化硅(SiC)、硅化鉬(MoSi2)、氮化硅(Si3N4)等，以及氧化鋁形成材料，例如FeCrAl、MeCrAlY以及鉬鋁硅化物(Mo(Si1-xAlx)2)等。NiCr合金還形成在表面上演化成氧化鉻(Cr2O3)鈍化層的保護(hù)層。
在還原氣氛例如在氫氣氣氛中，由于鋁具有比鉻和硅更高的親氧性這樣一個(gè)事實(shí)，根據(jù)上述的氧化鋁形成材料還比SiO2和Cr2O3形成材料更加穩(wěn)定。所述的這些層使得基底材料鈍化，由此防止其在高溫氧化氣氛以及其它環(huán)境下性能退化。由于在高于1300℃的溫度時(shí)缺乏蠕變耐久性以及抗變形性，金屬高溫合金例如FeCrAl等的應(yīng)用受到限制。而且，在合金中含量有限的鋁縮短了氧化壽命。當(dāng)要求在高于1200-1300℃的溫度下具有較長(zhǎng)的氧化壽命期限時(shí)，NiCr合金也不能作為一種有益的替代。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種材料，在高于1200℃的溫度下，其在氧化氣氛中具有較長(zhǎng)的壽命。
因此本發(fā)明涉及一種用在高于1200℃的溫度下并且用于氧化氣氛中的材料，其基本由金屬、鋁(Al)和碳(C)或者氮(N)所形成的合金構(gòu)成，并且其特征在于，該合金具有成分MzAlyXw，其中M基本為鈦(Ti)、鉻(Cr)和/或鈮(Nb)，并且其中X為碳(C)，或者當(dāng)M為鈦(Ti)時(shí)X為氮(N)和/或碳(C)；并且z位于1.8至2.2的范圍中，y位于0.8-1.2的范圍中，而且w位于0.8-1.2的范圍中，并且其中當(dāng)加熱至所述的溫度之后形成保護(hù)性氧化層Al2O3。
瑞典專(zhuān)利申請(qǐng)No.0102214-4描述了一種用于制造單相合成物Mn+iAzXn的方法，其中n位于0.8-3.2的范圍內(nèi)，并且其中z位于0.8-1.2的范圍內(nèi)，其中M可以為鈦(Ti)，其中X可以為碳(C)或者氮(N)，并且其中A可以為鋁(Al)。該方法包括形成所述金屬、非金屬以及最后提及的元素或者所述元素的化合物的粉末混合物，并且在惰性氣氛中點(diǎn)燃所述的粉末，從而抑制分解的發(fā)生，通過(guò)其使得內(nèi)部的成分進(jìn)行反應(yīng)，并且該方法特征在于，使得反應(yīng)溫度保持在或者高于引起所述成分發(fā)生反應(yīng)的溫度、但是低于致使該單相合成物發(fā)生分裂的溫度。
本發(fā)明是基于這樣一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)，即在Ti-Al-C三元相圖中，材料Ti2AlC以及一種成分與Ti2AlC相接近的材料具有非常好的特性，這些特性在權(quán)利要求1所限定的狹窄范圍之外并不存在。對(duì)于Ti2AlN而言，上述發(fā)現(xiàn)同樣成立。
當(dāng)金屬Ti由鉻(Cr)和/或鈮(Nb)所替代時(shí)，上述發(fā)現(xiàn)亦然全部的或者部分地適用。
根據(jù)本發(fā)明，如果此時(shí)M為鈦(Ti)，X還可以是氮(N)和/或碳(C)。
本發(fā)明所提供的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，使得在這樣的高溫氧化氣氛中的應(yīng)用成為可能，在該氣氛中，金屬合金不能在高于1200℃的溫度下經(jīng)受可接受的作業(yè)時(shí)間，并且金屬間化合物如鉬鋁硅化物的機(jī)械性能受到限制，例如抵抗熱沖擊的能力受到限制。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在所述合金中，可用以下元素或者物質(zhì)，即鉭(Ta)和釩(V)中的一種部分地替代金屬(M)作為合金物質(zhì)。
然而，在這方面，一種特別有益的合金是具有成分TizAlyCw的合金，其中z位于1.8至2.2的范圍內(nèi)，y位于0.8-1.2的范圍內(nèi)，并且w位于0.8-1.2的范圍內(nèi)，并且其中如此選擇z、y和w，從而當(dāng)受熱時(shí)，該材料將形成保護(hù)性的Al2O3氧化層。
在所述合金的一個(gè)優(yōu)選變型形式中，z＝2.0，y位于1.0-1.2的范圍內(nèi)，并且w為1.0。
三元碳化合物Ti3SiC2具有與本發(fā)明材料相似的機(jī)械性能，但是其實(shí)質(zhì)性缺陷在于鈦硅碳化物形成快速增長(zhǎng)的TiO2和SiO2的非鈍化混合氧化物，在實(shí)際中，這使得在材料不發(fā)生退化的情況下并且在高于1100℃的溫度的氧化氣氛中長(zhǎng)時(shí)期的使用該材料成為不可能。
還應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)本發(fā)明材料用于具有足夠低的氧分壓以避免在材料表面上形成氧化鋁的條件下，該材料將與化學(xué)式TizAlyCw一致的保持原樣。
在特定的情況，三元相Ti3AlC2以及相近的成分也在所述表面上形成氧化鋁，因此能夠在該材料中用作二級(jí)相。
本發(fā)明材料還可以包括Al2O3、TiC和/或鋁化鈦。
碳化鈦和鋁化鈦可存在于該材料中，而不會(huì)對(duì)本發(fā)明材料的成分的氧化特性產(chǎn)生不利的影響。
在所述材料的成分中，還可以作為放大相添加Al2O3。
下面為工作示例。
1.在球磨機(jī)中將4000g的Ti、1240g的Al和501g的C(相應(yīng)于成分Ti2A1.1C)以粉末形式混合4小時(shí)的時(shí)間。
2.將粉末混合物置于含有氫氣的氧化鋁管狀爐中。
3.根據(jù)下述循環(huán)對(duì)所述粉末進(jìn)行熱處理以3℃/min.的速率加熱至400℃的溫度。
將粉末在400℃的溫度下保持4小時(shí)。
以2℃/min.的速率加熱至800℃的溫度。
將粉末在800℃的溫度下保持4小時(shí)。
以2℃/min.的速率加熱至1400℃的溫度。
將粉末在1400℃的溫度下保持4小時(shí)。
4.自然冷卻。
5.將反應(yīng)后的粉末進(jìn)行粉碎并且研磨至具有325目(mesh)的粉末細(xì)度。
6.對(duì)粉末的XRD分析表明，主相為T(mén)i2AlC，并且存在一些Ti3AlC2和Al3Ti。
7.將Ti、Al、C(根據(jù)步驟1中的條件)以及重量百分比為20％的活性粉末(步驟5)進(jìn)行封裝并且置于水冷鋼制容器中。該容器被抽成真空并且用純凈氬氣進(jìn)行填充。
8.利用電熱點(diǎn)燃該粉末。該過(guò)程稱(chēng)為SHS(Self propagating Hightemperature Synthesis，自蔓延高溫合成)。
9.使得反應(yīng)后的材料自然冷卻。
10.將活性材料研磨至具有325目(mesh)的粉末細(xì)度。
11.對(duì)粉末的XRD分析表明，主相為T(mén)i2AlC，并且存在一些Ti3AlC2、TiC和Al3Ti(少于10％)。
12.將粉末冷卻、冷壓并且在1500℃氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行燒結(jié)1小時(shí)。
13.對(duì)燒結(jié)材料的光學(xué)顯微和SEM(Sweep Electron Microscope，掃描電子顯微鏡)分析表明，該試樣具有高密度，其孔隙率小于2％。在晶界處觀察到一些Ti3AlC2的顆粒以及少于5％的TiAl3。顆粒尺寸在30μm的水平上，并且有些顆粒其尺寸在200μm的水平上。
14.將試樣置于用來(lái)研究其氧化特性的裝置中。將試樣在1100℃的溫度時(shí)保持8個(gè)小時(shí)、在1200℃保持8個(gè)小時(shí)、并且在1300℃保持8個(gè)小時(shí)。發(fā)現(xiàn)氧化進(jìn)程類(lèi)似拋物線(xiàn)。氧化表面變白，這說(shuō)明有氧化物薄層。
15.SEM分析表明，該氧化層具有5微米的厚度并且由高密的和附著的Al2O3構(gòu)成。
16.將燒結(jié)棒的一部分磨光至1000粒度(Grit)。
17.將該試樣置于用來(lái)研究其循環(huán)性質(zhì)的裝置中。將試樣在1200℃保持4個(gè)小時(shí)并且使其自然冷卻。如此重復(fù)循環(huán)十次。
18.氧化表面變白，這表明有氧化物薄層。
19.SEM分析表明，該氧化層具有3μm的厚度并且由高密的和粘性的Al2O3構(gòu)成。
20.將燒結(jié)棒磨光至1000粒度(Grit)。
21.將試樣置于含有空氣的在1200℃的箱式爐中980個(gè)小時(shí)。
22.氧化表面變白，這表明有氧化物薄層。
23.該試樣重量增加了10mg，并且具有白色的Al2O3表面層。
本發(fā)明材料的另一種優(yōu)選的應(yīng)用涉及煤氣加熱式或者揮發(fā)性燃料加熱式紅外線(xiàn)熱輻射器，其中該材料用作輻射發(fā)射表面。其中，在造紙工業(yè)中這種類(lèi)型的IR輻射器用于對(duì)紙張以及類(lèi)似材料進(jìn)行烘干、濕氣壓型(moisture profiling)以及表面涂覆。這種輻射發(fā)射表面以平板形式較為方便。該平板可以構(gòu)造為具有通孔的板，例如具有形式為蜂窩結(jié)構(gòu)的孔模式。可選的，該表面例如可以由多個(gè)平行的薄壁板構(gòu)造。本發(fā)明材料有助于實(shí)現(xiàn)耐用的熱輻射板，這是由于其結(jié)合有多個(gè)優(yōu)良特性，其中在高達(dá)1400℃具有慢的氧化速率、良好的熱傳導(dǎo)性、與其它陶瓷相比具有簡(jiǎn)化的可加工性(導(dǎo)致更低的制造成本)、抵抗熱沖擊的極好能力，其對(duì)于尖銳邊緣以及變化材料厚度的設(shè)計(jì)不施加限制。
本發(fā)明材料具有導(dǎo)電性，電阻系數(shù)在室溫時(shí)約為0.5Ωmm2/m，并且在1200℃時(shí)約為2.5Ωmm2/m。由于該材料良好的機(jī)械性能以及其在高溫時(shí)所保持的特性，該材料在氧化和還原氣氛以及真空條件下均可有利的用作電阻元件。通過(guò)其可以獲得該發(fā)明材料所提供的優(yōu)點(diǎn)的其它應(yīng)用例如包括氣體點(diǎn)火器、火焰探測(cè)器、加熱器塞以及這種使用。該材料在爐中的使用并不局限于上面所給出的實(shí)例。除了這種使用之外，該材料可以構(gòu)成下述裝置的各個(gè)部分或者其全部托盤(pán)、基片座、內(nèi)部設(shè)備、支撐轉(zhuǎn)子等。
例如在熱噴方法如HVOF、等離子體噴涂等的輔助下，本發(fā)明材料還可以以粉末形式方便的用于表面涂覆的目的。使用所稱(chēng)的PVD(物理氣相沉積)和CVD(化學(xué)氣相沉積)等氣相沉積工藝的表面涂覆還可能制造抗高溫腐蝕的層。當(dāng)設(shè)計(jì)為具有適當(dāng)電阻的電路圖案的形式時(shí)，這種表面涂層還可以用作對(duì)硅片或硅板進(jìn)行熱處理的平面形加熱元件。
除了上述的應(yīng)用領(lǐng)域之外，本發(fā)明材料還可以用于如下這些方面乙烯制造管、換熱器、燃燒器噴嘴、燃?xì)廨啓C(jī)部件等。
雖然已經(jīng)參考各種不同應(yīng)用對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了如上描述，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，顯然的是，本發(fā)明材料可以用于其中本材料特性有益的其它應(yīng)用中。
因此應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于其前述的示例性實(shí)施例，而是在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以做出各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種用在高于1200℃的溫度下以及氧化氣氛中的材料，其基本由金屬、鋁(Al)和碳(C)或者氮(N)所形成的合金構(gòu)成，其特征在于，該合金具有成分MzAlyXw，其中M基本包括鈦(Ti)、鉻(Cr)和/或鈮(Nb)，并且其中X為碳(C)，或者當(dāng)M為鈦(Ti)時(shí)X為氮(N)和/或碳(C)；并且z位于1.8至2.2的范圍中，y位于0.8-1.2的范圍中，而且w位于0.8-1.2的范圍中，并且其中當(dāng)加熱至所述的溫度之后形成保護(hù)性氧化層Al2O3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的材料，其特征在于，金屬(M)部分地由鉭(Ta)和釩(V)中的一種物質(zhì)構(gòu)成以在所述合金中作為合金物質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的材料，其特征在于，該合金具有成分TizAlyXw，其中z位于1.8至2.2的范圍內(nèi)，y位于0.8-1.2的范圍內(nèi)，并且w位于0.8-1.2的范圍內(nèi)，并且其中如此選擇z、y和w，從而當(dāng)受熱時(shí)，該材料將形成保護(hù)性的Al2O3氧化層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的材料，其特征在于，z＝2.0，y位于1.0-1.2的范圍內(nèi)，并且w為1.0。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用在高于1200℃的溫度下以及氧化氣氛中的材料，其基本由金屬、鋁(Al)和碳(C)或者氮(N)所形成的合金構(gòu)成。本發(fā)明特征在于，該合金具有成分M
文檔編號(hào)C04B35/58GK1747898SQ200480003795
公開(kāi)日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2004年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月7日
發(fā)明者馬茨·松德貝里, 謝爾·林格倫, 塔梅爾·埃－勞吉, 古斯塔夫·馬爾姆奎斯特 申請(qǐng)人:山特維克知識(shí)產(chǎn)權(quán)股份有限公司