[发明专利]钼铌硅合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属间化合物技术领域，尤其是涉及一种钼铌硅合金及其制备方法。

背景技术

我国航空航天技术和国防工业的快速发展，尤其是国家中长期规划大飞机工程、声速飞行器工程等国防现代化建设和国民经济建设亟需大量具有自主知识产权的先进高温结构材料。金属材料具有高比强度、高比模量、优良的耐高温持久性能、能在高温氧化性氛围中长期工作，以及较好的耐腐蚀性能等。从目前使用情况来看，工作在1273K以下的抗高温结构材料主要有镍基、钴基超合金和金属间铝化物等材料。单一材料和传统的金属基材料（镍基、钴基等合金）虽然塑性、耐磨等性能良好，但其高温强度和抗氧化性不足，使用温度已经达到极限，难以满足更高使用温度的要求，金属间化合物由于具有良好的性能，引起了很大关注。

金属间化合物二硅化钼（MoSi₂）由于具有较高的熔点（2030℃）、良好的高温抗氧化（表面形成致密的SiO₂膜）等优势而成为新一代航空发动机热端部件的候选材料。MoSi₂电热元件在空气中的最高使用温度已经达到1800℃以上，但MoSi₂的室温断裂韧性低（2～3 MPa.m^1/2），高温强度不足（1400℃ σ_0.2大约100MPa）严重限制了其作为结构材料的实用化进程，并且航空发动机热端部件的服役环境非常恶劣，需经受温度的急剧变化和高温燃气流的冲刷。因此，如何使之室温韧化和高温强化是开发新一代MoSi₂基高温结构材料的关键科学问题。

目前，对MoSi₂进行室温增韧和高温补强的主要途径是复合化或合金化。复合化是通过加入第二相陶瓷颗粒或纤维起到强韧化的作用，但是复合化方法工艺复杂、花费昂贵、增强相难以分布均匀，特别是存在界面热力学稳定性问题，容易引起微裂纹等缺陷，从而为这类材料的进一步发展提出了挑战。合金化是从内部改善合金的键络结构，有利于在本质上降低材料的韧脆转变温度（DBTT）和增加室温断裂韧性，因而合金强韧化MoSi₂的研究已经成为高温结构金属间化合物的热点。

MoSi₂-Nb复合材料主要以Nb纤维、Nb颗粒、Nb丝、叠层来增韧MoSi₂。20世纪70年代初，德国的Fitzer用铌丝增强MoSi₂制备了MoSi₂/Nb复合材料改善了它的高温强度。与单相MoSi₂比较，MoSi₂/Nb复合材料具有更好的力学性能。20世纪80年代以来，MoSi₂基复合材料的研究在广度和深度上都有新的发展。MoSi₂-Nb复合材料中，连续纤维增强复合材料的单位体积分数强化相所产生的强韧化效果很明显，但其制造比较困难，特别是长纤维如何均匀分布在基体中至今仍是一个工艺难题，连续增强复合材料大都存在各向异性，也使其应用受到限制，而颗粒增强复合材料增韧效果有限。

Nb合金化MoSi₂是通过金属原子取代Mo原子来减弱其Mo-Si键的结合力，或改变晶体结构从而提高塑性。Waghmare等基于断裂力学和位错理论，从第一性原理出发计算了表面能和不稳定堆垛层错能，通过韧化指数的比较认为，用V和Nb取代Mo、Mg和Al取代Si是合金化的理想元素，它们能够促进MoSi₂低温位错运动，增加室温韧性，因而发展钼铌硅合金十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钼铌硅合金及其制备方法，实现了工艺简单，设备简便，合成速度快。

本发明的钼铌硅合金化学表达式为(Mo_1-xNb_x)Si₂，其中X处于0～1的范围之内。

本发明的工艺为：

（1）将钼、铌、硅的金属粉末按照0～33.3mol％Mo、0～33.3mol％Nb、66.7mol％Si摩尔比例混合均匀，其中Mo和Nb的摩尔比例之和为33.3%。

（2）将混合粉末压制成坯体。

（3）将混合粉末坯体放入反应釜中，在氩气、氢气、氮气等保护性气氛中点燃混合粉末坯体，发生化学反应合成钼铌硅合金。

（4）将合成的钼铌硅合金粉末在1300～1700℃，真空度为3Pa～100Pa，保温时间为30～150min条件下采用真空热压烧结的方法获得致密材料。