專利名稱：具有高強(qiáng)度的硅化鉬材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種甚至在低溫，例如室溫下具有高強(qiáng)度，并且還具有良好的高溫強(qiáng)度以及良好的氧化性能的硅化鉬材料。
金屬材料具有非常好的低溫物理性能，但其高溫物理性能較差。甚至合金化的金屬材料也如此。實(shí)際上，金屬材料的使用溫度不超過(guò)約1100℃。
陶瓷材料如SiC具有良好的高溫性能，但是其在整個(gè)溫度范圍都很脆。
金屬間化合物材料，例如，Ni，Ti和Fe的鋁化物具有良好的高溫性能，但它們的實(shí)際應(yīng)用溫度均低于1000℃。
硅化物，例如硅化鉬，是具有吸引力的金屬間化合物材料，其高溫物理性能非常優(yōu)異，硅化物由于能在表面形成起保護(hù)膜作用的玻璃層，還具有非常好的氧化和腐蝕性能。
然而，與大多數(shù)的金屬間化合物材料相同，硅化物的室溫韌性和破壞強(qiáng)度較低。硅化物的脆-韌轉(zhuǎn)化溫度(BDTT)通常較高，例如，MoSi2的BDTT高于1000℃。低于該轉(zhuǎn)化溫度，硅化物極脆，其沖擊強(qiáng)度很低。高于所述轉(zhuǎn)化溫度，硅化物的延伸性能和拉延縮徑性能優(yōu)于金屬。由于硅化物在高于轉(zhuǎn)化溫度時(shí)發(fā)生蠕變和塑性變形，高溫強(qiáng)度的增加可使硅化物在高溫應(yīng)用場(chǎng)合更具競(jìng)爭(zhēng)力。
已試驗(yàn)了不同的方法來(lái)提高硅化物的RT(室溫)硬度和HT(高溫)強(qiáng)度。結(jié)果，采用V，Ti，Nb，Ta和Al對(duì)硅化鉬進(jìn)行合金化來(lái)調(diào)整其顯微組織，并且由此提高其強(qiáng)度。
另外，已對(duì)MoS2-ZrO2復(fù)合物進(jìn)行了研究，ZrO2具有三種清晰的晶體結(jié)構(gòu)，即，monoklinisk(M)，立方的(T)和立方的(C)。M相最高穩(wěn)定溫度是1170℃，當(dāng)達(dá)到該溫度時(shí)，其將軒變成T相。T相最高穩(wěn)定溫度為2370℃，之后，C相最高可穩(wěn)定至熔點(diǎn)2680℃。該復(fù)合材料也已采用Y2O3，MgO，CaO或CeO2作為穩(wěn)定劑。用這種方法可使該材料在低于1170℃的溫度下的韌性得以改善。
然而，腐蝕和氧化試驗(yàn)表明這種材料的性能不如單一硅化鉬和商標(biāo)為KANTHAL SUPER的材料。
本發(fā)明的目的就是解決這一問(wèn)題，并且提供一種氧化和腐蝕性與單一硅化鉬或KANTHAL SUPER相當(dāng)，同時(shí)具有較高的RT-Hv和TR-Kc的材料。
因此，所述的材料是一種在室溫和高溫下均具有高強(qiáng)度的硅化鉬材料，其是一種復(fù)合材料，由包含MoS2和ZrO2的混合物制成，其特征在于所述混合物還包括5-30％(體積)ZrO2和5-15％(體積)MoB，而且，以SiO2形式存在于MoSi2粒子上或者其中的氧的含量低于0.5％(重量)。
氧含量低可使韌性明顯提高，而且還可使室溫硬度增加。對(duì)此重要的是將氧含量降低。如果將氧含量降至低于約0.35(重量)，則改善程度更大。如果氧含量超過(guò)所述值，要使韌性顯著提高則是不切實(shí)際的。
以SiO2形式存在于MoSi2粒子上和其中的氧在燒結(jié)條件下與ZrO2反應(yīng)，形成ZrSiO4。ZrSiO4在ZrO2粒子上形成一包圍層，該層降低拉伸強(qiáng)度，并且因此使材料強(qiáng)度降低。因此，目的之一是減少ZrSiO4的含量。氧含量為0.36％(重量)時(shí)，采用XRD(X射線衍射)分析，未檢測(cè)到ZrSiO4。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，所述復(fù)合材料包含10-30％(體積)的ZrO2。
MoB能改善所形成的氧化物性能，原因在于其能改變氧化物的粘度，并且，因此能夠形成非常均勻的可有效防止材料腐蝕的氧化物層。MoB甚至還有助于材料獲得更高的硬度。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，所述復(fù)合材料含有8-12％(體積)的MoB。
此外，優(yōu)選使用未穩(wěn)定化的ZrO2，當(dāng)由所述T相轉(zhuǎn)變成所述M相時(shí)，未穩(wěn)定化的ZrO2會(huì)引起體積增加。該體積增加量為3-5％(體積)。該體積增加繼而起微裂紋源的作用，這可使室溫韌性提高。
但是，由MoSi2，ZrO2和MoB構(gòu)成的材料的高溫破斷性能仍較差。
根據(jù)一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施方案，所述復(fù)合材料因此還包含5-35％(體積)SiC。優(yōu)選所述材料包含3-10％(體積)SiC。
為了在高溫下獲得高的破斷強(qiáng)度和低的蠕變率，約3至5％(體積)的SiC似乎就足夠。
所述SiC可以作為化合物形式添加，但是優(yōu)選通過(guò)在燒結(jié)之前將碳粉末添加至所述復(fù)合材料來(lái)形成SiC，并且優(yōu)選SiC在燒結(jié)期間原位形成。
為了獲得所述SiC，優(yōu)選在燒結(jié)之前所述復(fù)合材料包括0-3％(重量)的碳粉末形式的碳。
通過(guò)添加碳粉末，粉末C將與MoSi2反應(yīng)形成Mo5Si3和SiC。
當(dāng)所述材料包含SiC時(shí)，其中的氧的含量與不存在SiC時(shí)同樣很重要。
其獲得的硬度和韌性水平與不含SiC的材料相同。然而，當(dāng)存在SiC時(shí)，除了其高溫蠕變性能更好之外，與不存在SiC時(shí)相比，還最多可使其在1100-1300℃下的極限強(qiáng)度提高2倍。
MoSi2構(gòu)成所述材料的余下部分。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，MoSi2與一種或多種合金元素V，Ti，Zr，Ta或Al共存。其中所述合金元素總量約為MoSi2的0-3％(原子比)。
下面，作為一個(gè)實(shí)施例，給出了根據(jù)本發(fā)明的材料的一種配比。
70％(體積)MoSi2(氧含量0.36％(重量)；2.0m3/g)20％(體積)ZrO210％(體積)MoB1％(重量)C燒結(jié)后，根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料將含有MoS2，MoB，Mo5Si3，ZrO2，SiC以及，可能地，ZrSiO4。
通過(guò)在1700℃，無(wú)壓條件下進(jìn)行燒結(jié)，可獲得密度為6.32g/cm2的材料。該材料的室溫硬度RT-Hv為9.60+/-0.15GPa，室溫韌性RT-K1c為7.69+/-0.32MPam1/2。
通過(guò)使用所謂的熱等靜壓方法，硬度可以進(jìn)一步提高。
前面已對(duì)各種不同的實(shí)施方案進(jìn)行了描述。但是，顯然，本領(lǐng)域的專業(yè)人員可以在所述混合物中的各種材料的指定范圍內(nèi)對(duì)所述材料進(jìn)行改變。
因此，應(yīng)該認(rèn)為本發(fā)明不限于上述各實(shí)施方案的限制，而是可以在附后的專利權(quán)利要求范圍內(nèi)進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.在室溫和高溫下均具有高強(qiáng)度的硅化鉬材料，是一種由包括MoSi2和ZrO2的混合物制成的復(fù)合材料，其特征在于所述混合物還包括5-30％(體積)ZrO2和5-15％(體積)MoB，以及，以SiO2形式存在于MoSi2粒子上或者其中的氧的含量低于0.5％(重量)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的硅化鉬材料，其特征在于所述混合物包含8-12％(體積)MoB。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的硅化鉬材料，其特征在于所述混合物包含10-30％(體積)ZrO2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的硅化鉬材料，其特征在于ZrO2是未穩(wěn)定化的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3或4的硅化鉬材料，其特征在于所述混合物包含3-35％(體積)SiC。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的硅化鉬材料，其特征在于所述復(fù)合材料包含3-10％(體積)SiC。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的硅化鉬材料，其特征在于通過(guò)在燒結(jié)之前將碳粉末添加至所述混合物中并使SiC在燒結(jié)期間原位形成，得到所述SiC。
8.根據(jù)權(quán)利要求5，6或7的硅化鉬材料，其特征在于所述混合物包含0-3％(重量)的碳粉末。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中之任一項(xiàng)的硅化鉬材料，其特征在于MoSi2與一種或多種合金元素V，Ti，Zr，Ta或Al一起構(gòu)成所述材料的余下部分，其中，所述合金元素的總量約占MoSi2量的0-3％(原子)。
全文摘要
在室溫和高溫下均具有高強(qiáng)度的硅化鉬材料，是一種由包括MoSi
文檔編號(hào)C04B35/58GK1391539SQ00815830
公開(kāi)日2003年1月15日 申請(qǐng)日期2000年11月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月18日
發(fā)明者M·桑德伯格, 李長(zhǎng)海 申請(qǐng)人:桑德維克公司