Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料制备方法技术

本发明专利技术涉及一种Zr3Al3C5‑ZrAlxSiy复合材料的近尺寸制备方法，以蒸馏水、羧甲基纤维素钠和ZrC粉配制浆料，真空冷冻去除水分，过筛得混合粉体；将所得混合粉体进行冷压成型制成颗粒预制体，在惰性气氛中预烧结；在流动惰性气氛保护下进行熔体渗透A1‑Si合金，即得Zr3Al3C5‑ZrAlxSiy复合材料。反应过程无需外加压力，所制备复合材料具有良好的力学性能和抗烧蚀性能，同时能够实现复合材料的近尺寸制备制备，材料的应用范围广，实用性强。

Preparation of Zr3Al3C5-ZrAlxSiy Composites

The present invention relates to a near-size preparation method of Zr3Al3C5 ZrAlxSiy composite material. The slurry is prepared by distilled water, sodium carboxymethyl cellulose and ZrC powder, the moisture is removed by vacuum freezing, and the mixed powder is sifted. The obtained mixed powder is cold-pressed to form a particle preform, which is pre-sintered in inert atmosphere, and the melt permeates A1_Si alloy under the protection of flowing inert atmosphere. Zr3Al3C5_ZrAlxSiy composites were obtained. The reaction process does not require external pressure. The prepared composites have good mechanical properties and ablation resistance. At the same time, they can be fabricated in near-size. The materials have a wide range of applications and strong practicability.

【技术实现步骤摘要】
Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料制备方法
本专利技术属于超高温结构件的制备方法，涉及一种Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料的近尺寸制备方法。
技术介绍
Zr3Al3C5属于通式为(ZrC)nAl3C2的Zr系三元纳米层状陶瓷，具有高强度、高模量、良好的抗氧化性和良好的高温力学性能，在航空、航天、核工业、超高温结构件等高新
有广泛的应用前景。目前已有文献公布了包括电弧熔炼、热压烧结、脉冲电流烧结以及固液反应烧结等一系列Zr3Al3C5纳米层状陶瓷的制备方法(GesingTM,JeitschkoW.ThecrystalstructuresofZr3Al3C5,ScAl3C3,andUAl3C3andtheirrelationtothestructureofU2Al3C4andAl4C3.JSolidStateChem1998；140:396-401；HeLF,ZhouYC,BaoYW,WangJY,LiMS.SynthesisandoxidationofZr3Al3C5powders.InterJMaterRes2007；98:3-9；HeLF,ZhouYC，BaoY,LinZJ,WangJY.Synthesis,physicalandmechanicalpropertiesofbulkZr3Al3C5ceramic.JAmCeramSoc2007；90:1164-70；LinZJ,ZhuoMJ,HeLF,ZhouYC,LiMS,WangJY.AtomicscalemicrostructuresofZr2Al3C4andZr3Al3C5ceramics.ActaMater2006；54:3843-51.)但所述制备方法原料成本高、制备周期长、流程复杂、温度高、需要外加压力或所制备的Zr3Al3C5为粉体，不利于材料未来作为热结构件的应用。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料的近尺寸制备方法，以ZrC粉冷压成型通过熔体渗透法(以下简称MI法)和Al-Si合金粉在较低温度、较短时间内合实现Zr3Al3C5-ZrAlxSiy块体复合材料的近尺寸制备，反应过程无需外加压力，所制备复合材料具有良好的力学性能和抗烧蚀性能。技术方案一种Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料的近尺寸制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：在温度为50～90℃的蒸馏水中加入羧甲基纤维素钠和ZrC粉，搅拌均匀后倒入球磨罐，加入粒径为8～20mm的碳化锆球球磨5～24h混合均匀，采用真空冷冻干燥仪去除水分，过筛80～200目筛造粒，得混合粉体；其中：蒸馏水占51～64wt.％，羧甲基纤维素钠占0.3～0.5wt.％，ZrC粉占31～48wt.％；步骤2：将混合粉体在10～20MPa压力下进行冷压成型制成ZrC生坯，在惰性气氛中800～1500℃预烧结20～60分钟，得预制体；步骤3：在预制体置于刚玉坩埚中，预制体的上下表面均铺置Al-Si合金粉；将刚玉坩埚放入流动的惰性气氛保护的刚玉管式炉中，以5℃/min的升温速率升至1300～1600℃，保温60～120min，使Al-Si合金熔融渗透到预制体中，同ZrC颗粒反应，再以5℃/min降温到室温，得到Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料。所述ZrC粉的粒度为0.5～10μm。所述铺置的Al-Si合金粉含量与制备ZrC生坯时的混合粉体的重量比为0.5:1～3:1。所述Al-Si合金中的Al所占的比例为30～80wt.％，Si所占的比例为70～20wt.％。所述惰性气氛是氮气、空气、氮气或者氧气。所述碳化锆球的粒径为8～20mm。有益效果本专利技术提出的一种Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料的近尺寸制备方法，以蒸馏水、羧甲基纤维素钠和ZrC粉配制浆料，真空冷冻去除水分，过筛得混合粉体；将所得混合粉体进行冷压成型制成颗粒预制体，在惰性气氛中预烧结；在流动惰性气氛保护下进行熔体渗透A1-Si合金，即得Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料。反应过程无需外加压力，所制备复合材料具有良好的力学性能和抗烧蚀性能，同时能够实现复合材料的近尺寸制备制备，材料的应用范围广，实用性强。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术使用成本较低、化学稳定性较好、易获得的ZrC与Al-Si合金为原料，材料的制备过程安全、可控性好；2.制备过程使用的MI法，能够适用于各种形状、尺寸的预制体，并能够最终复合材料与预制体生坯的近尺寸成型；3.所得Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料内部原位自生大量高强度的Zr3Al3C5纳米层状陶瓷，强度高；这些Zr3Al3C5纳米层状陶瓷在高温烧蚀条件下能够保持稳定，因此赋予复合材料良好的抗烧蚀性能。附图说明图1为本专利技术一种Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料的近尺寸制备方法的流程图。图2为实施例1中所得Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料的X射线衍射图谱。图3为实施例2中所得Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料截面背散射电子照片。图4为实施例3中生坯、预制体与所得Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料的宏观尺寸变化照片具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：实施例1，将1.5g的羧甲基纤维素钠溶解在300mL80℃的水中，然后将180g粒径为3μm的ZrC粉末加入溶液中，加入粒径为8～20mm的碳化锆球球磨24h，制成浆料；采用真空冷冻干燥仪去除水分，过200目筛造粒，得混合粉体；对所得混合粉体在10MPa压力下进行冷压成型制成ZrC生坯，在氩气气氛1500℃预烧结30分钟得到ZrC多孔预制体；将所得预制体置于刚玉坩埚中，预制体的上下表面均铺置Al-Si合金粉，其Al和Si两相的比例分别为60wt.％和40wt.％，Al-Si合金粉与ZrC预制体质量比为1:1。将刚玉坩埚放入氩气气氛保护的刚玉管式炉中，以5℃/min的升温速率升至1300℃，保温120min，使Al-Si合金熔融渗透到预制体中，同ZrC颗粒反应，再以5℃/min降温到室温，得到Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料。所制备的材料经X射线衍射分析为Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料，参见图2，Zr3Al3C5的含量为47vol.％，ZrAlxSiy的含量为43vol.％，其他相含量为10vol.％。实施例2，将1g的羧甲基纤维素钠溶解在300mL60℃的水中，然后将180g粒径为5μm的ZrC粉末加入溶液中，加入粒径为8～20mm的碳化锆球球磨10h，制成浆料；采用真空冷冻干燥仪去除水分，过80目筛造粒，得混合粉体；对所得混合粉体在20MPa压力下进行冷压成型制成ZrC生坯，在氩气气氛1500℃预烧结60分钟得到ZrC多孔预制体；将所得预制体置于刚玉坩埚中，预制体的上下表面均铺置Al-Si合金粉，其Al和Si两相的比例分别为70wt.％和30wt.％，Al-Si合金粉与ZrC预制体质量比为3:1。将刚玉坩埚放入氩气气氛保护的刚玉管式炉中，以5℃/min的升温速率升至1400℃，保温120min，使Al-Si合金熔融渗透到预制体中，同ZrC颗粒反应，再以5℃/min本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Zr3Al3C5‑ZrAlxSiy复合材料的近尺寸制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：在温度为50～90℃的蒸馏水中加入羧甲基纤维素钠和ZrC粉，搅拌均匀后倒入球磨罐，加入粒径为8～20mm的碳化锆球球磨5～24h混合均匀，采用真空冷冻干燥仪去除水分，过筛80～200目筛造粒，得混合粉体；其中：蒸馏水占51～64wt.％，羧甲基纤维素钠占0.3～0.5wt.％，ZrC粉占31～48wt.％；步骤2：将混合粉体在10～20MPa压力下进行冷压成型制成ZrC生坯，在惰性气氛中800～1500℃预烧结20～60分钟，得预制体；步骤3：在预制体置于刚玉坩埚中，预制体的上下表面均铺置Al‑Si合金粉；将刚玉坩埚放入流动的惰性气氛保护的刚玉管式炉中，以5℃/min的升温速率升至1300～1600℃，保温60～120min，使Al‑Si合金熔融渗透到预制体中，同ZrC颗粒反应，再以5℃/min降温到室温，得到Zr3Al3C5‑ZrAlxSiy复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种Zr3Al3C5-ZrAlxSiy复合材料的近尺寸制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：在温度为50～90℃的蒸馏水中加入羧甲基纤维素钠和ZrC粉，搅拌均匀后倒入球磨罐，加入粒径为8～20mm的碳化锆球球磨5～24h混合均匀，采用真空冷冻干燥仪去除水分，过筛80～200目筛造粒，得混合粉体；其中：蒸馏水占51～64wt.％，羧甲基纤维素钠占0.3～0.5wt.％，ZrC粉占31～48wt.％；步骤2：将混合粉体在10～20MPa压力下进行冷压成型制成ZrC生坯，在惰性气氛中800～1500℃预烧结20～60分钟，得预制体；步骤3：在预制体置于刚玉坩埚中，预制体的上下表面均铺置Al-Si合金粉；将刚玉坩埚放入流动的惰性气氛保护的刚玉管式炉中，以5℃/min的升温速率升至1300～1600℃，保温60～120min，使Al-Si合金熔融渗透到预制体中，同ZrC颗粒反应，再以5℃/min降温到室温，...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷小玮，马昱昭，范晓孟，党潇琳，巨攀飞，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61