一种航空高温复合材料NB/NBSUB5/SUBSISUB3/SUB的SPS熔铸制备方法.pdf

本发明涉及一种航空高温复合材料Nb/Nb5Si3的SPS熔铸制备方法，属复合材料领域。本发明是用Nb粉与Si粉分别以摩尔比5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1的比例组合，将混合均匀的粉末置于SPS装置中进行SPS熔铸合成反应，得到近理论密度的Nb/Nb5Si3原位复合材料。本发明的特点是：工艺简单，反应迅速，所制得的Nb/Nb5Si3复合材料组织均匀、致密，而且该制备方法将材料的原位反应合成与液态成形过程结合起来，实现了材料的合成与液态成形一体化。所以本发明具有快速、高效、节能、环保等优势，适合工业化生产。

1、  一种航空高温复合材料Nb/Nb₅Si₃的SPS熔铸制备方法，其特征在于：制备方法的步骤如下：
(1)、按化学式Nb/Nb₅Si₃的成分比例，称取摩尔比分别为5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1的Nb粉与Si粉；
(2)、将称取的Nb粉与Si粉置于混料机中混合8h，直至混合均匀；
(3)、将混匀的Nb、Si粉末装入石墨模具中压实；
(4)、将装有Nb、Si粉末的石墨模具置入SPS装置中进行SPS熔铸反应，于真空气氛下反应合成，且在升温加热的同时对试样施以单轴压力，实现材料的合成与致密一体化，生成原位Nb/Nb₅Si₃复合材料。

2、  根据权利1的所述的航空高温复合材料Nb/Nb₅Si₃的SPS熔铸制备方法，其特征在于：所述制备的原位Nb/Nb₅Si₃复合材料组织均匀、致密，其密度达到理论密度的99.7％以上；复合材料由Nb和Nb₅Si₃两相组成，其中，Nb颗粒较均匀地分布在原位合成的Nb₅Si₃连续基体上。

3、  根据权利1的所述的航空高温复合材料Nb/Nb₅Si₃的SPS熔铸制备方法，其特征在于：SPS熔铸反应条件为：脉冲电流为5000A，电压为15V，脉冲周期设置为12ms通、2ms断，施加的单轴压力为0.5KN，放电等离子烧结温度参数1800℃，在真空气氛下烧结，按150℃/min的升温速率升温，并通过红外测温控制反应温度及升温速率。

一种航空高温复合材料Nb/Nb₅Si₃的SPS熔铸制备方法
技术领域
本发明涉及一种航空高温复合材料Nb/Nb₅Si₃的SPS熔铸制备方法，属复合材料领域。
背景技术
随着航空航天等技术的迅猛发展，要求发动机具有更高的推重比及工作效率，这便要求发动机具有更高的工作温度。例如：科学家正在研制推重比高达20∶1的第六代发动机，其工作温度要求高达1600℃以上。然而，目前喷气发动机中常用的镍基超合金的工作温度不能超过1100℃，并已接近其使用极限。Nb/Nb₅Si₃是一种新型的高温结构复合材料，它因具有高熔点、低密度和良好的高温强度等性能，尤其是在高温状态下还具有很好的抗腐蚀和抗蠕变性能，被认为是最具开发应用前景的高温复合材料，有望在先进航空、航天燃气涡轮发动机中的某些固定部件及高温转动部件上应用。
目前，美、日等国投入了比较大的人力和财力来研制Nb/Nb₅Si₃复合材料，而我国在此领域才刚刚起步。近一些年来，国内外科技工作者致力于Nb₅Si₃及其复合材料的研究，已取得一定的进展，并探索不同方法制备Nb/Nb₅Si₃复合材料。Nb/Nb₅Si₃复合材料的常用制备方法包括：定向凝固、物理气相沉积、化学气相沉积(CVD)、机械合金化、真空电弧熔炼等。
然而，上述制备Nb/Nb₅Si₃复合材料的方法一般均存在工艺较复杂、能耗高，生产周期长等不足。因此，本发明采用SPS熔铸技术来快速、高效地直接一步原位(in Situ)合成Nb/Nb₅Si₃复合材料。
发明内容
本发明目的在于提出一种制备原位Nb/Nb₅Si₃复合材料的新工艺，从而开发出低成本、易于产业化、且性能优良的制备Nb/Nb₅Si₃新方法。该方法最主要特点是采用SPS熔铸技术直接一步原位合成密实的Nb/Nb₅Si₃复合材料。
SPS(Spark Plasma Sintering，简称SPS，放电等离子烧结)的突出特点是通过一对电极板在粉体间施加通-断直流脉冲电流，引起粉末之间稀薄气体放电，在放电的瞬间产生高温放电等离子体，使烧结体内部各个颗粒均匀地自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。这种放电加热方法，热效率高，且放电点的弥散分布能够实现均匀加热，因而容易制备出均质、致密、高质量的新材料。
在SPS工艺中，除加热及同时伴随着的加压这两个促进烧结的因素外，颗粒间的有效放电可产生局部高温(火花放电可使颗粒之间的温度瞬时达上万度)，可使颗粒表面熔化、表面物质剥落而促进加速烧结的作用，高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质(如除去表层氧气物等)和吸附的气体从而净化颗粒的表面，而且电场的作用更可加速离子的快速迁移。因此，SPS法具有升温速度快、反应时间短、组织结构可控(由于是从粉体内部自发热作用快速升温烧结法，所以有显著抑制晶粒长大的效果，有可能获得微晶结构和控制晶界)、节能环保等鲜明特点，是一种制备多种结构与功能材料的有效方法，正日益受到人们的重视。
本发明通过SPS熔铸方法来制备Nb/Nb₅Si₃航空高温复合材料。所用的Nb粉与Si粉分别以相应摩尔比进行组合，并混合均匀后置于SPS装置中进行SPS熔铸合成反应，得到近理论密度的Nb/Nb₅Si₃原位复合材料。
本发明采用以下技术方案：制备方法的步骤如下：
(1)按化学式Nb/Nb₅Si₃的成分比例，称取摩尔比分别为5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1的Nb粉与Si粉；
(2)将称取的Nb粉与Si粉置于混料机中混合8h，直至混合均匀；
(3)将混匀的Nb、Si粉末装入石墨模具中压实；
(4)将装有Nb、Si粉末的石墨模具置入SPS装置中进行SPS熔铸反应，于真空气氛下反应合成，且在升温加热的同时对试样施以单轴压力，实现材料的合成与致密一体化，生成原位Nb/Nb₅Si₃复合材料。
所述制备的原位Nb/Nb₅Si₃复合材料组织均匀、致密，其密度达到理论密度的99.7％以上；复合材料由Nb和Nb₅Si₃两相组成，其中，Nb颗粒较均匀地分布在原位合成的Nb₅Si₃连续基体上。
SPS熔铸反应条件为：脉冲电流为5000A，电压为15V，脉冲周期设置为12ms通、2ms断，施加的单轴压力为0.5KN，放电等离子烧结温度参数1800℃，在真空气氛下烧结，按150℃/min的升温速率升温，并通过红外测温控制反应温度及升温速率。
本发明与现有技术相比有如下特征：工艺简单，反应迅速，所制得的Nb/Nb₅Si₃复合材料组织均匀、致密，且该制备方法将材料的原位反应合成与液态成形过程结合起来，实现材料的合成与液态成形一体化。
附图说明
图1为制备的Nb/Nb₅Si₃复合材料的XRD图谱，表明产物只由Nb和Nb₅Si₃两相组成，不含其它杂杂质；
图2为制备的Nb/Nb₅Si₃复合材料场发射扫描电镜像(FE-SEM)，可见，微观组织由Nb颗粒和Nb₅Si₃连续基体组成；
图3为制备的复合材料共晶组织微观组织纵截面图，亮相为Nb、暗色基体为Nb₅Si₃；
图4为制备的复合材料微区能谱分析(EDS)结果，表明含Nb、Si两元素。
具体实施方式
下面以实施例的方式进一步阐明本发明，而非仅局限于实施例。
实施例1
实验用的原材料为上海化学试剂公司生产的高纯Si粉(200目，99.0％)，宁夏东方钽业有限公司生产的高纯Nb粉(-325目，99.9％)。
将Nb粉、Si按摩尔比Nb-16％Si进行配比。然后原料在混料机中混合8h。混匀粉料装入塔形石墨模具中，置于由日本产的SPS-1050型放电等离子装置中进行SPS熔铸合成反应。
所用SPS-1050设备的直流脉冲电流为5000A，电压为15V，脉冲周期设置为12ms通、2ms断。放电等离子烧结温度参数1800℃，在真空气氛下烧结，按150℃/min的升温速率升温，并通过红外测温控制反应温度及升温速率，施加的单轴压力为0.5KN，实行反应合成与致密一体化。合成产物经X射线粉末衍射分析，结果表明产物为纯净，不含杂相，如图1所示。产物的场发射扫描电镜像如图2所示，表微观组织由Nb颗粒和Nb₅Si₃连续基体组成。
实施例2
初始原料Nb、Si粉为分析纯，按Nb-12％Si化学计量配比，用分析天平精确称取上述试剂。
然后原料在混料机中混10h。混匀粉料装入石墨模具中，置于SPS-1050型放电等离子装置中进行SPS熔铸合成反应。
所用SPS-1050设备的直流脉冲电流为5000A，电压为15V，脉冲周期设置为12ms通、2ms断。放电等离子烧结温度参数1800℃，在真空气氛下烧结，按150℃/min的升温速率升温，并通过红外测温控制反应温度及升温速率，施加的单轴压力为0.5KN，实行反应合成与致密一体化。合成产物共晶组织纵截面的场发射扫描电镜像如图3所示，其微观组织的亮相为Nb、暗色基体为Nb₅Si₃。图4是合成的复合材料微区能谱分析(EDS)结果，表明含Nb、Si两元素。