[发明专利]Ta‑TaC‑ZrB2‑AlN复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种Ta-TaC-ZrB₂-AlN复合材料及其制备方法。

背景技术

随着国防工业和航空航天技术的发展，需要一种能在1500℃以上使用的超高温结构材料，并且要求这种材料具有良好的室温塑性和较好的高温抗氧化性能。难熔金属Ta(钽)及其合金具有高熔点、良好的室温塑性、高的抗热冲击性能、耐蚀性和易于加工成形等优点已在航空、航天、核工业等高温环境中得到了应用，是最重要的超高温结构材料之一。然而，这些钽及钽合金材料差的高温强度，使其应用受到限制，这是由于这些材料在超高温环境下的长时间动态热/力耦合载荷条件下，材料自身已有的强韧化机制在高温服役下可能失去了作用。另外，这些材料在空气中很容易氧化，目前还没有找到一种特别有效的解决方法，这在航天方面的应用时极为不利的。硼化锆(ZrB₂)、碳化钽(TaC)和氮化铝(AlN)陶瓷具有高熔点、低密度，在高温下能保持良好的高温强度，优良的抗氧化性能，优异的热稳定性和化学稳定性作为超高温结构材料拥有良好的前途。然而，陶瓷材料有一个共有的特征就是韧性不够限制了其使用。此外，硼化锆(ZrB₂)、碳化钽(TaC)和氮化铝(AlN)陶瓷即使在2000℃以上进行烧结也难以获得致密的材料。因此，为了满足国防工业和航天航空技术发展的需要，必须制备新的超高温结构材料。另外，随着现代科技的飞速发展，各行各业对难熔金属材料的使用越来越广泛，对其性能也相应提出了越来越高的要求。须研制出高性能难熔金属复合材料为尖端领域的发展提供材料基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种Ta-TaC-ZrB₂-AlN复合材料。该复合材料的微观组织由良好塑性的Ta基体组成，细小的陶瓷相均匀分布在Ta基体中，密度为11.5g/cm³～13.7g/cm³，理论密度为98.5％～99.7％，室温硬度为894HV～1200HV，室温抗拉强度为983MPa～1215MPa，室温拉伸延伸率为8％～13％，在1500℃条件下的抗拉强度为321MPa～436MPa，在1500℃空气环境中氧化100h后材料损失为39μm～61μm，具有低密度、高硬度、高强度、良好的室温塑性和抗氧化等特点，能够在1500℃空气中使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种Ta-TaC-ZrB₂-AlN复合材料，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：TaC 3％～15％，ZrB₂ 2％～10％，AlN 2％～8％，余量为Ta和不可避免的杂质。

上述的Ta-TaC-ZrB₂-AlN复合材料，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成：TaC 5％～9％，ZrB₂ 3％～7％，AlN 4％～6％，余量为Ta和不可避免的杂质。

上述的Ta-TaC-ZrB₂-AlN复合材料，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成：TaC 7％，ZrB₂ 5％，AlN 5％，余量为Ta和不可避免的杂质。

另外，本发明还提供了一种制备上述Ta-TaC-ZrB₂-AlN复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、采用湿法球磨的方法将TaC粉、ZrB₂粉、AlN粉和Ta粉混合均匀，真空烘干后粉碎，得到混合粉料；

步骤二、将步骤一中所述混合粉料置于真空热压烧结炉中，在真空度不大于7×10^-2Pa，温度为1800℃～1900℃，压力为25MPa～35MPa的条件下热压烧结1h～2h，随炉冷却后得到Ta-TaC-ZrB₂-AlN复合材料。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述TaC粉、ZrB₂粉和AlN粉的质量纯度不小于99％，所述Ta粉的质量纯度不小于99.5％。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述TaC粉、ZrB₂粉和AlN粉 的粒径均不大于50nm，所述Ta粉的粒径不大于10μm。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述湿法球磨过程中采用无水乙醇的体积为TaC粉、ZrB₂粉、AlN粉和Ta粉质量之和的1～2倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g。