[发明专利]一种硅铝碳化钛锆固溶体材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷固溶体材料及制备方法，具体为一种硅铝碳化钛锆固溶体((Ti_1-xZr_x)₃(Si_1-yAl_y)C₂)材料及其制备方法。

背景技术

Ti₃SiC₂是一种新型的三元层状陶瓷材料。美国陶瓷学会会刊(Journal of theAmerican Ceramic Society 79，1953(1996))中研究表明它综合了陶瓷和金属的诸多优点，具有低密度、高模量、高强度、高的电导率和热导率以及易加工等特点，因而具有广阔的应用前景。但作为一种结构材料，Ti₃SiC₂的硬度和1100℃以上抗氧化性能偏低，限制了其广泛应用。在通常以钛粉、硅粉、和石墨粉为原料制备硅碳化钛(Ti₃SiC₂)过程中会存在杂质相碳化钛(TiC)。在材料学报(ActaMaterialia 49，4347(2001))中指出碳化钛对硅碳化钛的高温抗氧化性是不利的。在材料学报(Acta Materialia 52，3631(2004))和材料研究创新(Material ResearchInnovations 8，97(2004))中研究表明通过以适量的铝取代硅碳化钛中的硅而形成硅铝碳化钛固溶体(Ti₃Si(Al)C₂)的方法可以去除杂质相碳化钛(TiC)，并且由于增加了铝(Al)的含量能显著提高其抗氧化性能。在Ti-Si-C体系中，如果利用元素Zr能在Ti的位置取代部分的钛，提高其硬度后还可以保持其他的优良力学性能，则有可能达到固溶强化的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种力学性能好、高温抗氧化性能好、纯度高、操作简单、工艺条件容易控制、成本低的硅铝碳化钛锆固溶体((Ti_1-xZr_x)₃(Si_1-yAl_y)C₂)材料及其制备方法。

本发明的技术方案是：

一种原位合成硅铝碳化钛锆固溶体((Ti_1-xZr_x)₃(Si_1-yAl_y)C₂)材料，Zr取代Ti的原子摩尔取代量x的取值范围为0＜x≤0.07，Al取代Si的原子摩尔取代量y的取值范围为0＜y≤0.10。

所述硅铝碳化钛锆固溶体((Ti_1-xZr_x)₃(Si_1-yAl_y)C₂)材料的制备方法，以单质钛粉、锆粉、硅粉、铝粉以及石墨粉作为原料。(Ti_1-xZr_x)₃(Si_1-yAl_y)C₂固溶体中(Ti_1-xZr_x)∶(Si_1-yAl_y)∶C的摩尔比为3.0∶(1～1.2)∶2.0，其中Zr取代Ti的原子摩尔取代量x的取值范围为0＜x≤0.07，Al取代Si的原子摩尔取代量y的取值范围为0＜y≤0.10。配好的原料粉经物理机械方法混合10～25小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为5～20MPa，在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为5～50℃/分钟，烧结温度为1400～1600℃、烧结时间为0.5～2小时、烧结压强为20～40MPa。从而，制备出具有高纯度、高硬度、高强度、高弹性模量、高韧性和高温抗氧化性能好等综合性能优越的硅铝碳化钛锆固溶体((Ti_1-xZr_x)₃(Si_1-yAl_y)C₂)材料。

所述加入的钛粉、锆粉、硅粉、铝粉、石墨粉粒度范围为200～400目；所述烧结方式为热压烧结或热等静压烧结；所述情性气体为氩气、氦气或氖气；所述物理机械方法混合采用在酒精介质下的球磨法。