专利名称：一种制备金属间化合物t2相合金的原位反应热压方法
一种制备金属间化合物T2相合金的原位反应热压方法
技术领域
本发明属于合金材料制备技术领域，特别涉及高熔点、难熔的金属间化合物硅钥化合物的制备。
背景技术：
T2相具有高的熔点r2200°C )、相对低的密度(8. 864g/cm3)、优异的高温强度、 良好的高温蠕变抗力及氧化抗力、良好的导热性和导电性，被认为是宇航和燃气涡轮发动机领域中具有广阔应用前景的新一代超高温(1200-160(TC )结构材料。但是，由于其四方 D81(tI32, I4/mcm)晶体结构，成分区间较小，固溶小原子的能力有限，因此，对制备高纯且致密T2相合金工艺提出了很高的要求。
目前，T2相合金的制备方法主要有电弧熔炼+退火工艺、机械合金化等。其中，采用电弧溶炼 + 退火工艺(Nunes C A, et al. Intermetal lies, 2000, 8: 327-337; Rawn C J, et al. Intermetallics, 2001, 9: 209-216)制备的T2相合金组织粗大、成分不均偏析严重，不可避免地出现Mo3Si、Mo5Si3、Mo2B、MoB等领先相，并且组织中含有微裂纹；机械合金化(Yamauchi A, et al. J. Alloy. Compd. , 2007, 434-435: 420-423; Abbasi A R, et al. Mater. Sci. Eng. A, 2011, A528: 3295-3301)是粉末在高能球磨机下实现塑性变形、冷焊、破碎，从而达到元素间原子水平合金化的物理化学过程，因此很难精确控制反应过程，反应不完全并且缺乏成型过程，为了获得致密T2相合金，需添加后续致密化工序。上述这些工艺制备的T2相合金中Mo3Si、Mo5Si3^ Mo2B, MoB等领先相的出现会降低材料的抗高温氧化性能、以及力学性能尤其高温力学性能；而且组织粗大、不均匀和微裂纹也不利于T2相合金力学性能的改善；机械合金化工艺还需热压等后续致密工序，制备工序多，控制复杂。发明内容
本发明的目的在于利用原位反应热压工艺，通过控制其工艺参数，制备晶粒细小、 高致密、高纯T2相合金，从而最大限度地发挥T2相的良好抗高温氧化性和优异力学性能尤其高温力学性能，最大限度改善T2相合金性能，并且工艺简便、易于控制、工序简化。
本发明采用SPS烧结炉，主要通过控制工艺参数，消除Mo、Si和B三元素之间的低温固-固反应,而利用它们之间的固-液反应原位合成T2相，并充分利用原位反应放出的热量同时一步热压致密，降低热压温度，提高材料致密度，细化组织，简化工序，同时发挥原位合成界面洁净、不含Mo3Si、Mo5Si3^ Mo2B, MoB等领先相、纯度高的优点，来制备晶粒细小、高致密、高纯T2相合金。本发明所涉及的原料来自Mo粉(5.96iim，99.99 wt%)、Si粉 (6. 23 u m, 99. 999wt%)和 B 粉(3. 63 u m, 99. 99wt%)混合物，其成分组成按 Mo5SiB2 的化学计量成分区间配制，通过全方位球磨机球磨15_30h (以无水乙醇为介质)，之后在50°C真空干燥8-12h。
T2相合金的具体制备过程如下(I)以 Mo 粉(5. 96 u m, 99. 99 wt%)、Si 粉(6. 23 u m, 99. 999wt%)和 B 粉(3. 63 u m, 99. 99wt%)为原料，按Mo5SiB2的化学计量成分区间配制出所需的混合粉末，其原子百分比为61. 5-63. 0%Mo、12. 0-14. 0%Si和23. 5-25. 5%B,通过全方位球磨机以300转/分球磨 15-30h(以无水乙醇为介质)，然后在50°C真空干燥8-12h。
(2)在SPS烧结炉上进行原位反应热压，升温速率为100-300°C/min，烧结温度为 1450-1600°C，保温时间为5-30min，施加压力为40_60MPa，烧结完成后，以10_20°C /min的速率降温至400-500°C，最后炉冷至室温。在冷却过程中保压到1100-1200°C后逐渐卸压。 整个烧结过程在真空条件下进行。
本发明的优点在于利用原位反应热压工艺，在SPS烧结炉上，主要通过控制工艺参数，消除Mo、Si和B三元素之间的低温固-固反应，而利用它们之间的固-液反应原位合成T2相，并充分利用原位反应放出的热量同时一步热压致密，降低热压温度，提高材料致密度，细化组织，简化工序，同时发挥原位合成界面洁净、不含Mo3Si、Mo5Si3^ Mo2B, MoB等领先相、纯度高的优点，来制备晶粒细小、高致密、高纯T2相合金，因此，该T2相合金能够最大限度地发挥T2相的良好抗高温氧化性和优异力学性能尤其高温力学性能，最大限度地改善其性能。由于本发明只需控制原位反应热压工艺参数，原位反应合成与热压致密化同时一步完成，无需后续二次致密工艺，因此工艺简便、易于控制、工序简化。
图I为Mo-13Si-25B、200°C /min升温速率、1500°C烧结温度T2相合金XRD谱线； 图2为Mo-13Si-25B、200°C /min升温速率、1500°C烧结温度T2相合金晶粒分布图；图3为Mo-13Si-25B、200°C /min升温速率、1500°C烧结温度T2相合金不同温度三点弯曲断裂韧性；图4为Mo-13Si-25B、200°C /min升温速率、1500°C烧结温度T2相合金不同温度压缩真应力-真应变曲线；图5为Mo-14Si-23. 5B、100°C /min升温速率、1500°C烧结温度T2相合金XRD谱线；图6为Mo-12Si-25. 5B、200°C /min升温速率、1450°C烧结温度T2相合金XRD谱线。
具体实施方式
实施例I :混合粉末的名义成分为Mo-13Si_25B(原子百分比，％)，经全方位球磨机以300转/分球磨24h (以无水乙醇为介质)，50°C真空干燥9h，称量出62. 66g。采用 SPS-1500烧结设备，将称量好的粉末置入内径是30mm的石墨模具中，升温速率为200°C / min，烧结温度为1500°C，保温时间为7min，施加压力为60MPa。烧结完成后，以20°C /min的速率降温至500°C，最后炉冷至室温。在冷却过程中保压到1200°C后逐渐卸压。整个烧结过程在真空条件下进行，最终获得030mmX10mm样坯。图I为T2相合金的XRD谱线，没发现 Mo3Si、Mo5Si3、Mo2B、MoB等领先相存在,纯度高，明显优于电弧熔炼+退火工艺(Nunes C A, et al. Intermetallics, 2000，8: 327—337; Rawn C J，et al. Intermetallics, 2001，9: 209-216)和机械合金化(Yamauchi A, et al. J. Alloy. Compd. , 2007, 434-435: 420-423; Abbasi A R, et al. Mater. Sci. Eng. A, 2011, A528: 3295-3301)。该 T2 相合金的相对致密度为、9. 5%，平均晶粒尺寸为I. 44Mffl(图2)，明显小于电弧熔炼+退火工艺(Nunes C A, et al. Intermetallics, 2000, 8: 327-337; Rawn C J, et al. Intermetallics, 2001, 9: 209-216)。T2相合金具有良好的力学性能(图3-4)，室温、 1200°C三点弯曲断裂韧性^分别为3. 41MPa*m1/2和9. 66 MPa *m1/2(图3)，室温、1200°C、 1400°C压缩强度分别为 2905MPa、965MPa 和 483MPa(图 4)。
实施例2 :混合粉末的名义成分为Mo-14Si_23. 5B (原子百分比，%)，经全方位球磨机以300转/分球磨24h(以无水乙醇为介质)，50°C真空干燥9h，称量出62. 66g。采用 SPS-1500烧结设备，将称量好的粉末置入内径是30mm的石墨模具中，升温速率为100°C / min，烧结温度为1500°C，保温时间为7min，施加压力为60MPa。烧结完成后，以20°C /min 的速率降温至500°C，最后炉冷至室温。在冷却过程中保压到1200°C后逐渐卸压。整个烧结过程在真空条件下进行，最终获得0 30mmX IOmm样坯。图5为该工艺T2相合金试样的XRD 谱线，可以看出合金中只含有T2相，没发现M03Si、M05Si3、M02B、M0B等领先相存在，纯度高， 明显优于电弧溶炼 + 退火工艺(Nunes C A, et al. Intermetallics, 2000, 8: 327-337; Rawn C J, et al. Intermetallics, 2001, 9: 209-216)和机械合金化(Yamauchi A, et al. J. Alloy. Compd. , 2007, 434-435: 420-423; Abbasi A R, et al. Mater. Sci. Eng. A, 2011，A528: 3295-3301)。
实施例3 :混合粉末的名义成分为Mo-12Si_25. 5B(原子百分比，%)，经全方位球磨机以300转/分球磨24h (以无水乙醇为介质)，50°C真空干燥9h，称量出62. 66g。采用 SPS-1500烧结设备，将称量好的粉末置入内径是30mm的石墨模具中，升温速率为200°C / min，烧结温度为1450°C，保温时间为7min，施加压力为60MPa。烧结完成后，以20°C /min的速率降温至500°C，最后炉冷至室温。在冷却过程中保压到1200°C后逐渐卸压。整个烧结过程在真空条件下进行，最终获得O 30mmX IOmm样还。图6为该工艺T2相合金试样的XRD 谱线，可以看出合金中只含有T2相，没发现M03Si、M05Si3、M02B、M0B等领先相存在，纯度高， 明显优于电弧溶炼 + 退火工艺(Nunes C A, et al. Intermetallics, 2000, 8: 327-337; Rawn C J, et al. Intermetallics, 2001, 9: 209-216)和机械合金化(Yamauchi A, et al. J. Alloy. Compd. , 2007, 434-435: 420-423; Abbasi A R, et al. Mater. Sci. Eng. A, 2011，A528: 3295-3301)。
权利要求
1.一种制备金属间化合物T2相合金的原位反应热压方法，其特征是利用SPS烧结炉原位反应热压制备晶粒细小、高致密、高纯T2相合金；按此55182的化学计量成分区间配制所需的混合粉末，其原子百分比为61. 5-63. 0%Mo、12. 0-14. 0%Si和23. 5-25. 5%B ;原位反应热压的工艺为升温速率100-300°C /min，烧结温度1450_1600°C，保温时间5_30min，施加压力40-60MPa，烧结完成后，以10-20°C /min的速率降温至400-500°C，最后炉冷至室温； 在冷却过程中保压到1100-1200°C后逐渐卸压。
2.如权利要求I所述的制备金属间化合物T2相合金的原位反应热压方法，其特征是混合粉末的准备是按Mo5SiB2的化学计量成分区间配制，并以无水乙醇为介质，通过全方位球磨机以300转/分球磨15-30h，之后在50°C真空干燥8-12h。
全文摘要
一种制备金属间化合物T2相合金的原位反应热压方法，属于合金材料制备技术领域。其特征在于采用放电等离子烧结炉(SPS)，主要通过控制工艺参数，消除Mo、Si和B三元素之间的低温固-固反应，而利用它们之间的固-液反应原位合成T2相，并充分利用原位反应放出的热量同时一步热压致密，降低热压温度，提高材料致密度，细化组织，简化工序，同时发挥原位合成界面洁净、不含Mo3Si、Mo5Si3、Mo2B、MoB等领先相、纯度高的优点，来制备晶粒细小、高致密、高纯T2相合金，从而最大限度地发挥T2相的良好抗高温氧化性和优异力学性能尤其高温力学性能，最大限度改善T2相合金的性能，并且工艺简便、易于控制、工序简化。
文档编号C22C1/05GK102534279SQ20121001953
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月20日 优先权日2012年1月20日
发明者叶丰, 张来启, 林均品, 梁永峰, 潘昆明, 王珏, 郝国建 申请人:北京科技大学