Nb?Si?Ti?Hf?ZrC復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種Nb?Si?Ti?Hf?ZrC復(fù)合材料，由以下摩爾百分比的成分組成：Si 3％～11％，Ti 4％～12％，Hf 3％～7％，ZrC 3％～7％，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。另外，本發(fā)明還提供了一種制備該Nb?Si?Ti?Hf?ZrC復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：一、將Si粉、Ti粉、Hf粉、ZrC粉和Nb粉置于球磨機中混合均勻，烘干后粉碎得到混合粉料；二、將混合粉料置于熱壓燒結(jié)爐進行熱壓燒結(jié)，得到Nb?Si?Ti?Hf?ZrC復(fù)合材料。本發(fā)明Nb?Si?Ti?Hf?ZrC復(fù)合材料具有高強度、高韌性和高溫抗氧化的特點，能夠應(yīng)用于1300℃的空氣環(huán)境中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[000?]本發(fā)明屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料及 其制備方法。 Nb-S i -T i -Hf-ZrC復(fù)合材料及其制備方法
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，各種新型飛行器飛行距離和飛行速度的提高，要求發(fā) 動機具有更高的推重比及工作效率，人們對輕質(zhì)、高強和抗氧化的高溫結(jié)構(gòu)材料提出了越 來越高的要求。而現(xiàn)有發(fā)動機所用的鎳基高溫合金由于受其自身熔點的限制，使用溫度上 限僅為1100 °C。因此，研制替代鎳基超合金的超高溫材料勢在必行。鈮(Nb)是難熔金屬中密 度最小元素，鈮合金與其它難熔金屬相比有高的比強度、優(yōu)異的室溫塑性，良好的加工性能 和焊接性能，能作為高溫結(jié)構(gòu)材料。但鈮合金在高溫氧化氣氛中災(zāi)難性的氧化行為嚴(yán)重研 制了其在工程上的應(yīng)用。Nb 5Si3金屬間化合物，具有優(yōu)異的機械和物理性能，譬如：高熔點 (2783K)，低密度、高硬度、良好的高溫強度。因此，Nb 5Si3金屬間化合物在超高溫結(jié)構(gòu)材料上 有著潛在的應(yīng)用前景。但是，Nb5Si 3具有低的室溫斷裂韌性，阻礙了它作為高溫結(jié)構(gòu)材料的 應(yīng)用。Nb具有高熔點（2468Γ)和良好的室溫塑性及韌性，熱膨脹系數(shù)與鈮硅化合物相近。鈮 和Nb 5Si3在較大的溫度范圍和較寬的成份范圍內(nèi)能穩(wěn)定共存，兩相之間具有良好的界面相 容性和熱力學(xué)穩(wěn)定性。另外，Nb-Si復(fù)合材料有寬的Nb 5Si3和Nbss(鈮固溶體)兩相區(qū)，可通過 共晶和共析反應(yīng)產(chǎn)生微觀組織變化制備復(fù)合材料。因此，由韌性較好的鈮和鈮硅化合物組 成的Nb-Si復(fù)合材料被認為是最有開發(fā)應(yīng)用前景的超高溫結(jié)構(gòu)材料之一。然而，Nb-Si復(fù)合 材料在高溫氧化氣氛中迅速氧化失重，使Nb-Si復(fù)合材料難以在工程上得到應(yīng)用。添加 Ti、 V、Hf、Zr、Cr、Mn、S i和Be等元素可減小氧在銀中的擴散率，從而改善Nb-S i復(fù)合材料的抗氧 化性能。合金化的方法雖對Nb-Si復(fù)合材料的抗氧化性能有所改善，但合金化元素的加入量 必須超過一個臨界值才能對基體起到保護作用，這將惡化材料的其他性能，特別是造成基 體高溫機械性能的下降。因此，通過單一的合金化方法無法獲得韌性好、熔點高、高溫強度 高和抗氧化的Nb-Si復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料，該Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料在室溫條件下的抗拉強度為627MPa~ 785MPa，斷裂韌性為IlMPa · m1/2~18MPa · m1/2，1300°C抗拉強度為315MPa~426MPa，在 1300 。(:空氣環(huán)境中氧化IOOh后材料損失僅為0.037mg/cm2~0.015mg/cm 2,具有高強度、高韌性和 高溫抗氧化的特點，能夠應(yīng)用于1300°C的空氣環(huán)境中。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材 料，其特征在于，由以下摩爾百分比的成分組成：Si 3%~11%，Ti 4%~12%，Hf 3%~ 7%，ZrC 3%~7%，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。
[0005] 上述的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料，其特征在于，由以下摩爾百分比的成分組成： Si 4%~10%，Ti 6%~10%，Hf 4%~6%，ZrC 4%~6%，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。
[0006]上述的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料，其特征在于，由以下摩爾百分比的成分組成： Si 7%，Ti 8%，Hf 5%，ZrC 5%，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。
[0007]另外，本發(fā)明還提供了 一種制備上述Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料的方法，其特征在 于，該方法包括以下步驟：
[0008] 步驟一、將Si粉、Ti粉、Hf粉、ZrC粉和Nb粉置于球磨機中球磨混合均勻，然后在真 空條件下烘干，粉碎后得到混合粉料；
[0009] 步驟二、將步驟一中所述混合粉料置于熱壓燒結(jié)爐中，在真空度不大于1.2 XHT 2Pa，溫度為1700°C~1800°C，壓力為30MPa~50MPa的條件下熱壓燒結(jié)Ih~2h，隨爐冷卻后 得到Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料。
[0010]上述的方法，其特征在于，步驟一中所述Si粉、Ti粉和ZrC粉的質(zhì)量純度均不小于 99%，所述Hf粉的質(zhì)量純度不小于98%，所述Nb粉的質(zhì)量純度不小于99.9%。
[0011] 上述的方法，其特征在于，步驟一中所述Si粉和ZrC粉的粒徑均不大于Ιμπι，所述Ti 粉和Nb粉的粒徑均不大于5μηι，所述Hf粉的粒徑不大于1 Ομπι。
[0012] 上述的方法，其特征在于，步驟一中所述球磨為濕法球磨，所述濕法球磨的過程中 采用無水乙醇為分散劑，所述無水乙醇的體積為Si粉、Ti粉、Hf粉、ZrC粉和Nb粉質(zhì)量之和的 2~3倍，其中體積的單位為mL，質(zhì)量的單位為g。
[0013] 上述的方法，其特征在于，步驟一中所述球磨機的轉(zhuǎn)速為400rpm~500rpm，所述濕 法球磨的球料質(zhì)量比為(6~10): 1，球磨時間為20h~30h。
[0014] 上述的方法，其特征在于，步驟一中所述烘干的溫度為90°C~100°C。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0016] 1、本發(fā)明提供了一種Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料，該Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料在 室溫條件下的抗拉強度為627MPa~785MPa，斷裂韌性為IlMPa · m1/2~18MPa · m1/2，1300°C 抗拉強度為315MPa~426MPa，在1300°C空氣環(huán)境中氧化IOOh后材料損失只有0.037mg/cm2 ~0.015mg/cm2,具有高強度、高韌性和高溫抗氧化的特點，能夠應(yīng)用于1300°C的空氣環(huán)境 中。
[0017] 2、本發(fā)明采用機械合金化和熱壓燒結(jié)的工藝過程制備Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材 料，該方法具有能耗低、周期短的優(yōu)點，制備的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料由Nbss相、Nb5Si 3 相和ZrC相組成，細小的Nb5Si3金屬間化合物相和ZrC陶瓷相均勻分布Nb基體中。
[0018] 3、本發(fā)明將Ti引入到Nb-Si復(fù)合材料體系中，改善了 Nb基體的抗氧化性能，降低了 復(fù)合材料的密度，提高了復(fù)合材料的斷裂韌性;將ZrC引入到Nb-Si復(fù)合材料體系中，極大提 高了Nb-Si系復(fù)合材料的力學(xué)性能和高溫抗氧化性能。
[0019] 4、本發(fā)明采用Ti、Hf多成分合金化和ZrC陶瓷相多相復(fù)合技術(shù)，使Nb-Si-Ti-Hf- ZrC復(fù)合材料的室溫斷裂韌性、高溫抗拉強度和高溫抗氧化能力達到了良好平衡。
[0020] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明實施例1制備的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料的顯微組織圖。
【具體實施方式】
[0022] 實施例1
[0023] 本實施例Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料由以下摩爾百分比的成分組成：Si 7%，Ti 8%，Hf 5%，ZrC 5%，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。
[0024]本實施例Nb-S i -T i -Hf-ZrC復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：
[0025]步驟一、將Si粉、Ti粉、Hf粉、ZrC粉和Nb粉置于球磨機中，采用濕法球磨的方式混 合均勻，然后在真空條件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料;優(yōu)選地，所述硅粉的質(zhì)量純度 不小于99.99%，所述鈦粉的質(zhì)量純度不小于99.99%，所述Si粉的質(zhì)量純度不小于99%，所 述Ti粉的質(zhì)量純度不小于99%，所述Hf粉的質(zhì)量純度不小于98%，所述ZrC粉的質(zhì)量純度不 小于99%，所述Nb粉的質(zhì)量純度不小于99.9%，所述Si粉的粒徑不大于Ιμπι，所述Ti粉的粒 徑不大于5μηι，所述Hf粉的粒徑不大于1 Ομπι，所述Zr C粉的粒徑不大于1 μπι，所述Nb粉的粒徑 不大于5μπι;所述濕法球磨采用的分散劑為無水乙醇，所述無水乙醇的體積為Si粉、Ti粉、Hf 粉、ZrC粉和Nb粉質(zhì)量之和的2.5倍，其中體積的單位為mL，質(zhì)量的單位為g;所述球磨機為行 星式球磨機，優(yōu)選地，所述球磨機的轉(zhuǎn)速為450rpm，濕法球磨的球料質(zhì)量比為8:1，球磨時間 為25h;所述烘干的溫度優(yōu)選為95°C ;
[0026]步驟二、將步驟一中所述混合粉料置于熱壓燒結(jié)爐中，在真空度為1.2X KT2Paj^ 度為1750 °C，壓力為40MPa的條件下熱壓燒結(jié)1.5h，隨爐冷卻后得到Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合 材料。
[0027]本實施例制備的Nb-S i -T i -Hf-Zr C復(fù)合材料的顯微組織如圖1所示。從圖1中可以 看出，本實施例制備的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料含有鈮固溶體(Nbss)相、Nb5Si3金屬間化 合物相和ZrC陶瓷相。圖1中，灰色的晶粒為Nbss相，黑灰色的晶粒為Nb 5Si3金屬間化合物相， 黑色的晶粒為ZrC陶瓷相。Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料的基體由粗大的Nbss組成，細小的 Nb5Si3金屬間化合物相均勾分布在Nbss基體中。亞微米ZrC陶瓷顆粒分布在晶界。這種均勾 分布的Nb5Si 3金屬間化合物相和ZrC陶瓷顆粒對Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料產(chǎn)生強烈的彌散 強化，在高溫變形過程中阻礙晶界的滑移，極大地提高了 Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料的高溫 力學(xué)性能。同時，由于基體由良好塑性的粗大的Nb組成，并且呈連續(xù)分布(如圖1所示），這種 理想的組織不僅使Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料具有優(yōu)異的室溫和高溫力學(xué)性能，而且具有 較好的室溫斷裂韌性。進一步測試本實施例制備的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料中鈮固溶體 (Nbss)相、Nb5Si3金屬間化合物相和ZrC相的化學(xué)成分組成，結(jié)果見表1。
[0028]表1實施例1制備的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料的化學(xué)成分組成

[0031] 從表1可以看出，合金化元素 Ti和Hf主要固溶在Nb中形成Nbss。由于Hf元素與氧有 很高的親和力，將Hf元素添加到Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料中，將大大降低氧在Nb基體中的 含量，減少了氧對Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料的不利影響，從而大大改善了Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料的斷裂韌性。Ti固溶在Nb中，不但提高了Nbss的塑性，提高了材料的斷裂韌性， 同時有利于在材料表面形成緊密連續(xù)的氧化層，減少裂紋的產(chǎn)生和氧氣的滲入，從而改善 Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料的氧化性能。另一方面，在高溫氧化氣氛中，由于Ti、Hf合金化元 素以及ZrC陶瓷相的作用，在Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料表面形成一層致密的ZrO 2氧化膜， 阻止外面的氧氣浸入造成繼續(xù)氧化，使復(fù)合材料的高溫抗氧化性能得到極大的提高。
[0032]本實施例制備的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料在室溫條件下的抗拉強度為785MPa， 斷裂韌性為18MPa · mV2，1300°C抗拉強度為426MPa，在1300°C空氣環(huán)境中氧化IOOh后材料 損失只有〇.〇15mg/cm 2,具有高強度、高韌性和高溫抗氧化的特點，能夠應(yīng)用于1300°C的空 氣環(huán)境中。
[0033] 實施例2
[0034] 本實施例Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料由以下摩爾百分比的成分組成：Si 3%，Ti 4%，Hf 3%，ZrC 3%，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。
[0035]本實施例Nb-S i -T i -Hf-ZrC復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：
[0036]步驟一、將Si粉、Ti粉、Hf粉、ZrC粉和Nb粉置于球磨機中，采用濕法球磨的方式混 合均勻，然后在真空條件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料;優(yōu)選地，所述硅粉的質(zhì)量純度 不小于99.99%，所述鈦粉的質(zhì)量純度不小于99.99%，所述Si粉的質(zhì)量純度不小于99%，所 述Ti粉的質(zhì)量純度不小于99%，所述Hf粉的質(zhì)量純度不小于98%，所述ZrC粉的質(zhì)量純度不 小于99%，所述Nb粉的質(zhì)量純度不小于99.9%，所述Si粉的粒徑不大于Ιμπι，所述Ti粉的粒 徑不大于5μηι，所述Hf粉的粒徑不大于1 Ομπι，所述Zr C粉的粒徑不大于1 μπι，所述Nb粉的粒徑 不大于5μπι;所述濕法球磨采用的分散劑為無水乙醇，所述無水乙醇的體積為Si粉、Ti粉、Hf 粉、ZrC粉和Nb粉質(zhì)量之和的2倍，其中體積的單位為mL，質(zhì)量的單位為g;所述球磨機為行星 式球磨機，優(yōu)選地，所述球磨機的轉(zhuǎn)速為400rpm，濕法球磨的球料質(zhì)量比為6:1，球磨時間為 20h;所述烘干的溫度優(yōu)選為90°C ;
[0037]步驟二、將步驟一中所述混合粉料置于熱壓燒結(jié)爐中，在真空度為1.2X KT2Paj^ 度為1700 °C，壓力為30MPa的條件下熱壓燒結(jié)lh，隨爐冷卻后得至IjNb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材 料。
[0038]本實施例制備的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料在室溫條件下的抗拉強度為627MPa， 斷裂韌性為IlMPa · mV2，1300°C抗拉強度為315MPa，在1300°C空氣環(huán)境中氧化IOOh后材料 損失只有〇.〇37mg/cm 2,具有高強度、高韌性和高溫抗氧化的特點，能夠應(yīng)用于1300°C的空 氣環(huán)境中。
[0039] 實施例3
[0040] 本實施例Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料由以下摩爾百分比的成分組成：Si 11%，Ti 12%，Hf 7%，ZrC 7%，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。
[0041 ]本實施例Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：
[0042]步驟一、將Si粉、Ti粉、Hf粉、ZrC粉和Nb粉置于球磨機中，采用濕法球磨的方式混 合均勻，然后在真空條件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料;優(yōu)選地，所述硅粉的質(zhì)量純度 不小于99.99%，所述鈦粉的質(zhì)量純度不小于99.99%，所述Si粉的質(zhì)量純度不小于99%，所 述Ti粉的質(zhì)量純度不小于99%，所述Hf粉的質(zhì)量純度不小于98%，所述ZrC粉的質(zhì)量純度不 小于99%，所述Nb粉的質(zhì)量純度不小于99.9%，所述Si粉的粒徑不大于Ιμπι，所述Ti粉的粒 徑不大于5μηι，所述Hf粉的粒徑不大于1 Ομπι，所述Zr C粉的粒徑不大于1 μπι，所述Nb粉的粒徑 不大于5μπι;所述濕法球磨采用的分散劑為無水乙醇，所述無水乙醇的體積為Si粉、Ti粉、Hf 粉、ZrC粉和Nb粉質(zhì)量之和的2倍，其中體積的單位為mL，質(zhì)量的單位為g;所述球磨機為行星 式球磨機，優(yōu)選地，所述球磨機的轉(zhuǎn)速為500rpm，濕法球磨的球料質(zhì)量比為10:1，球磨時間 為30h;所述烘干的溫度優(yōu)選為HKTC ;
[0043]步驟二、將步驟一中所述混合粉料置于熱壓燒結(jié)爐中，在真空度為1.2X KT2Pa,溫 度為1800 °C，壓力為50MPa的條件下熱壓燒結(jié)2h，隨爐冷卻后得到Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材 料。
[0044]本實施例制備的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料在室溫條件下的抗拉強度為630MPa， 斷裂韌性為12MPa · m1/2，1300°C抗拉強度為421MPa，在1300°C空氣環(huán)境中氧化IOOh后材料 損失只有〇.〇21mg/cm 2,具有高強度、高韌性和高溫抗氧化的特點，能夠應(yīng)用于1300°C的空 氣環(huán)境中。
[0045] 實施例4
[0046] 本實施例Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料由以下摩爾百分比的成分組成：Si 4%，Ti 6%，Hf 4%，ZrC 4%，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。
[0047]本實施例Nb-S i -T i -Hf-ZrC復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：
[0048]步驟一、將Si粉、Ti粉、Hf粉、ZrC粉和Nb粉置于球磨機中，采用濕法球磨的方式混 合均勻，然后在真空條件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料;優(yōu)選地，所述硅粉的質(zhì)量純度 不小于99.99%，所述鈦粉的質(zhì)量純度不小于99.99%，所述Si粉的質(zhì)量純度不小于99%，所 述Ti粉的質(zhì)量純度不小于99%，所述Hf粉的質(zhì)量純度不小于98%，所述ZrC粉的質(zhì)量純度不 小于99%，所述Nb粉的質(zhì)量純度不小于99.9%，所述Si粉的粒徑不大于Ιμπι，所述Ti粉的粒 徑不大于5μηι，所述Hf粉的粒徑不大于1 Ομπι，所述Zr C粉的粒徑不大于1 μπι，所述Nb粉的粒徑 不大于5μπι;所述濕法球磨采用的分散劑為無水乙醇，所述無水乙醇的體積為Si粉、Ti粉、Hf 粉、ZrC粉和Nb粉質(zhì)量之和的1.5倍，其中體積的單位為mL，質(zhì)量的單位為g;所述球磨機為行 星式球磨機，優(yōu)選地，所述球磨機的轉(zhuǎn)速為450rpm，濕法球磨的球料質(zhì)量比為8:1，球磨時間 為25h;所述烘干的溫度優(yōu)選為HKTC ;
[0049]步驟二、將步驟一中所述混合粉料置于熱壓燒結(jié)爐中，在真空度為1.2X KT2Pa,溫 度為1750 °C，壓力為50MPa的條件下熱壓燒結(jié)lh，隨爐冷卻后得至IjNb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材 料。
[0050]本實施例制備的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料在室溫條件下的抗拉強度為715MPa， 斷裂韌性為16MPa · m1/2，1300°C抗拉強度為391MPa，在1300°C空氣環(huán)境中氧化IOOh后材料 損失只有〇.〇31mg/cm 2,具有高強度、高韌性和高溫抗氧化的特點，能夠應(yīng)用于1300°C的空 氣環(huán)境中。
[0051 ] 實施例5
[0052] 本實施例Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料由以下摩爾百分比的成分組成：Si 10%，Ti 10%，Hf 6%，ZrC 6%，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。
[0053]本實施例Nb-S i -T i -Hf-ZrC復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：
[0054]步驟一、將Si粉、Ti粉、Hf粉、ZrC粉和Nb粉置于球磨機中，采用濕法球磨的方式混 合均勻，然后在真空條件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料;優(yōu)選地，所述硅粉的質(zhì)量純度 不小于99.99%，所述鈦粉的質(zhì)量純度不小于99.99%，所述Si粉的質(zhì)量純度不小于99%，所 述Ti粉的質(zhì)量純度不小于99%，所述Hf粉的質(zhì)量純度不小于98%，所述ZrC粉的質(zhì)量純度不 小于99%，所述Nb粉的質(zhì)量純度不小于99.9%，所述Si粉的粒徑不大于Ιμπι，所述Ti粉的粒 徑不大于5μηι，所述Hf粉的粒徑不大于1 Ομπι，所述Zr C粉的粒徑不大于1 μπι，所述Nb粉的粒徑 不大于5μπι;所述濕法球磨采用的分散劑為無水乙醇，所述無水乙醇的體積為Si粉、Ti粉、Hf 粉、ZrC粉和Nb粉質(zhì)量之和的1.5倍，其中體積的單位為mL，質(zhì)量的單位為g;所述球磨機為行 星式球磨機，優(yōu)選地，所述球磨機的轉(zhuǎn)速為400rpm，濕法球磨的球料質(zhì)量比為8:1，球磨時間 為30h;所述烘干的溫度優(yōu)選為HKTC ;
[0055]步驟二、將步驟一中所述混合粉料置于熱壓燒結(jié)爐中，在真空度為1.2X KT2Pa,溫 度為1800 °C，壓力為50MPa的條件下熱壓燒結(jié)lh，隨爐冷卻后得至IjNb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材 料。
[0056]本實施例制備的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料在室溫條件下的抗拉強度為702MPa， 斷裂韌性為15MPa · m1/2，1300°C抗拉強度為379MPa，在1300°C空氣環(huán)境中氧化IOOh后材料 損失只有〇.〇27mg/cm 2,具有高強度、高韌性和高溫抗氧化的特點，能夠應(yīng)用于1300°C的空 氣環(huán)境中。
[0057] 實施例6
[0058] 本實施例Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料由以下摩爾百分比的成分組成：Si 4%，Ti 6%，Hf 6%，ZrC 6%，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。
[0059]本實施例Nb-S i -T i -Hf-ZrC復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：
[0060]步驟一、將Si粉、Ti粉、Hf粉、ZrC粉和Nb粉置于球磨機中，采用濕法球磨的方式混 合均勻，然后在真空條件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料;優(yōu)選地，所述硅粉的質(zhì)量純度 不小于99.99%，所述鈦粉的質(zhì)量純度不小于99.99%，所述Si粉的質(zhì)量純度不小于99%，所 述Ti粉的質(zhì)量純度不小于99%，所述Hf粉的質(zhì)量純度不小于98%，所述ZrC粉的質(zhì)量純度不 小于99%，所述Nb粉的質(zhì)量純度不小于99.9%，所述Si粉的粒徑不大于Ιμπι，所述Ti粉的粒 徑不大于5μηι，所述Hf粉的粒徑不大于1 Ομπι，所述Zr C粉的粒徑不大于1 μπι，所述Nb粉的粒徑 不大于5μπι;所述濕法球磨采用的分散劑為無水乙醇，所述無水乙醇的體積為Si粉、Ti粉、Hf 粉、ZrC粉和Nb粉質(zhì)量之和的2倍，其中體積的單位為mL，質(zhì)量的單位為g;所述球磨機為行星 式球磨機，優(yōu)選地，所述球磨機的轉(zhuǎn)速為500rpm，濕法球磨的球料質(zhì)量比為10:1，球磨時間 為20h;所述烘干的溫度優(yōu)選為HKTC ;
[0061]步驟二、將步驟一中所述混合粉料置于熱壓燒結(jié)爐中，在真空度為1.2X KT2Paj^ 度為1700 °C，壓力為40MPa的條件下熱壓燒結(jié)lh，隨爐冷卻后得到Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材 料。
[0062]本實施例制備的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料在室溫條件下的抗拉強度為678MPa， 斷裂韌性為13MPa · m1/2，1300°C抗拉強度為365MPa，在1300°C空氣環(huán)境中氧化IOOh后材料 損失只有〇.〇31mg/cm 2,具有高強度、高韌性和高溫抗氧化的特點，能夠應(yīng)用于1300°C的空 氣環(huán)境中。
[0063] 實施例7
[0064] 本實施例Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料由以下摩爾百分比的成分組成：Si 3%，Ti 4%，Hf 7%，ZrC 7%，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。
[0065]本實施例Nb-S i -T i -Hf-ZrC復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：
[0066]步驟一、將Si粉、Ti粉、Hf粉、ZrC粉和Nb粉置于球磨機中，采用濕法球磨的方式混 合均勻，然后在真空條件下烘干，烘干后粉碎得到混合粉料;優(yōu)選地，所述硅粉的質(zhì)量純度 不小于99.99%，所述鈦粉的質(zhì)量純度不小于99.99%，所述Si粉的質(zhì)量純度不小于99%，所 述Ti粉的質(zhì)量純度不小于99%，所述Hf粉的質(zhì)量純度不小于98%，所述ZrC粉的質(zhì)量純度不 小于99%，所述Nb粉的質(zhì)量純度不小于99.9%，所述Si粉的粒徑不大于Ιμπι，所述Ti粉的粒 徑不大于5μηι，所述Hf粉的粒徑不大于1 Ομπι，所述Zr C粉的粒徑不大于1 μπι，所述Nb粉的粒徑 不大于5μπι;所述濕法球磨采用的分散劑為無水乙醇，所述無水乙醇的體積為Si粉、Ti粉、Hf 粉、ZrC粉和Nb粉質(zhì)量之和的1倍，其中體積的單位為mL，質(zhì)量的單位為g;所述球磨機為行星 式球磨機，優(yōu)選地，所述球磨機的轉(zhuǎn)速為500rpm，濕法球磨的球料質(zhì)量比為8:1，球磨時間為 28h;所述烘干的溫度優(yōu)選為95°C ;
[0067]步驟二、將步驟一中所述混合粉料置于熱壓燒結(jié)爐中，在真空度為1.2X KT2Paj^ 度為1750 °C，壓力為50MPa的條件下熱壓燒結(jié)2h，隨爐冷卻后得至IjNb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材 料。
[0068]本實施例制備的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料在室溫條件下的抗拉強度為631MPa， 斷裂韌性為17MPa · m1/2，1300°C抗拉強度為415MPa，在1300°C空氣環(huán)境中氧化IOOh后材料 損失只有〇.〇18mg/cm 2,具有高強度、高韌性和高溫抗氧化的特點，能夠應(yīng)用于1300°C的空 氣環(huán)境中。
[0069]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制。凡是根據(jù)發(fā)明技 術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案 的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料，其特征在于，由以下摩爾百分比的成分組成：Si 3%~ll%，Ti 4%~12%，Hf 3%~7%，ZrC 3%~7%，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料，其特征在于，由以下摩爾百分比 的成分組成：Si 4%~10%，Ti 6%~10%，Hf 4%~6%，ZrC 4%~6%，余量為Nb和不可 避免的雜質(zhì)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料，其特征在于，由以下摩爾百分比 的成分組成:Si 7%，Ti 8%，Hf 5%，ZrC 5%，余量為Nb和不可避免的雜質(zhì)。4. 一種制備如權(quán)利要求1、2或3所述Nb-Si-Ti-Hf-ZrC復(fù)合材料的方法，其特征在于，該 方法包括以下步驟： 步驟一、將Si粉、Ti粉、Hf粉、ZrC粉和Nb粉置于球磨機中球磨混合均勻，然后在真空條 件下烘干，粉碎后得到混合粉料； 步驟二、將步驟一中所述混合粉料置于熱壓燒結(jié)爐中，在真空度不大于1.2 Xl(T2Pa，溫 度為1700°C~1800°C，壓力為30MPa~50MPa的條件下熱壓燒結(jié)lh~2h，隨爐冷卻后得到他-S i -T i -Hf-Zr C 復(fù)合材料。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟一中所述Si粉、Ti粉和ZrC粉的質(zhì)量純 度均不小于99%，所述Hf粉的質(zhì)量純度不小于98%，所述Nb粉的質(zhì)量純度不小于99.9%。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟一中所述Si粉和ZrC粉的粒徑均不大 于1 μπι，所述T i粉和Nb粉的粒徑均不大于5μηι，所述Hf粉的粒徑不大于1 Ομπι。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟一中所述球磨為濕法球磨，所述濕法 球磨的過程中采用無水乙醇為分散劑，所述無水乙醇的體積為Si粉、Ti粉、Hf粉、ZrC粉和Nb 粉質(zhì)量之和的2~3倍，其中體積的單位為mL，質(zhì)量的單位為g。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，步驟一中所述球磨機的轉(zhuǎn)速為400rpm~ 500rpm，所述濕法球磨的球料質(zhì)量比為(6~10): 1，球磨時間為20h~30h。9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟一中所述烘干的溫度為90°C~100°C。
【文檔編號】C22C1/05GK106086564SQ201610470780
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】喻吉良, 鄭欣, 王峰, 劉輝, 夏明星
【申請人】西北有色金屬研究院