一种高性能大尺寸氮化硅陶瓷材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能大尺寸氮化硅陶瓷材料的制备方法，包括：（1）准备原料：氮化硅粉、氧化镁、氧化铝、稀土氧化物；（2）将原料混匀，得到氮化硅复合粉料浆；（3）对氮化硅复合粉浆料进行喷雾造粒，制得氮化硅造粒粉；（4）对氮化硅造粒粉进行冷等静压处理成型，制得氮化硅压坯；（5）将氮化硅压坯装入高温烧结炉，并埋入埋粉进行烧结，获得预烧结体；（6）将预烧结体装入气压烧结炉内进行气压烧结，获得氮化硅陶瓷材料。本发明专利技术仅用普通的高温烧结炉和气压烧结炉就能完成氮化硅陶瓷材料的高致密烧结，不仅制造成本远低于热压、热等静压烧结制品，效率高，轻松实现了制品的批量生产，而且可以生产形状复杂的制品。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种氮化硅陶瓷材料的制备方法，具体涉及的是一种高性能大尺寸氮化硅陶瓷材料的制备方法。
技术介绍
氮化硅陶瓷材料由于具有耐高温、耐磨损、高强度、高韧性、耐腐蚀、高硬度、比重轻等优良特性而被称之为陶瓷界的“全能冠军”，在航空航天、化工冶金、机械加工、核工业具有广泛的应用和开发前景。目前，高端氮化硅材料大都依赖进口，特别是高性能大尺寸氮化硅陶瓷材料，如用于风力发电机轴承的大尺寸氮化硅球，用于核电主泵一级密封结构的大尺寸氮化硅密封环等，均被国外大公司所垄断。国内氮化硅材料目前主要采用常压烧结、气压烧结和热压及热等静压烧结工艺制备，常压烧结（又称无压烧结）是将氮化硅素坯在常压N2下于1700-1800℃烧结，烧结产品致密度较差，难以制备出高性能产品；气压烧结采用高压N2（一般不超过10MPa）烧结，由于N2穿透性差，当制备大产品时，芯部N2难以彻底排除，易形成内部多孔的“夹芯”结构，导致材料的内外组织性能一致性较差；热压、热等静压烧结是在烧结过程中对制品施加压力，借助高温高压促进材料的致密化，通常能得到性能较高的制品，但热压、热等静压烧结需要昂贵复杂的烧结设备及辅助耗材（如包套等），制造成本高，遏制了高性能氮化硅材料在市场上的推广应用。另外，针对高性能大尺寸氮化硅的制备，国内有相关的专利文献发表，如张培志的专利技术专利“一种大尺寸陶瓷球的制备方法”（公开号CN1143944），张伟儒的专利技术专利“一种高可靠性大尺寸氮化硅陶瓷材料的制备方法”（公开号101538162A），均采用了气压烧结结合热等静压烧结的方式，其制造成本较高。而赵振威的专利技术专利“一种提高氮化硅材料性能一致性的烧结方法”（公开号CN104119079A）则结合了气压烧结和热压烧结的方式，克服了气压烧结的缺点，提高了材料性能的一致性，但其仍然存在制备成本高、效率低，难以制备复杂形状产品的问题。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种高性能大尺寸氮化硅陶瓷材料的制备方法，可实现氮化硅陶瓷材料的高效率、低成本、批量化生产，满足市场推广和应用的需求。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种高性能大尺寸氮化硅陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：（1）按下列重量比准备原料：氮化硅粉85～93%、氧化镁0.5～5%、氧化铝1～7%、稀土氧化物3～10%；（2）将原料混匀，得到氮化硅复合粉料浆；（3）采用闭环造粒方式对氮化硅复合粉浆料进行喷雾造粒，制得氮化硅造粒粉；（4）将淡化硅造粒粉倒入橡胶模具，然后进行100～300MPa冷等静压处理成型，制得氮化硅压坯；（5）将淡化硅压坯装入高温烧结炉，并埋入埋粉，然后于氮气气氛、氮气压力-100～+100mbar、1500～1750℃条件下保温0.5～2小时进行烧结，获得预烧结体；（6）将预烧结体装入气压烧结炉内，然后于氮气气氛、氮气压力2～8Mpa、1750～1900℃条件下保温2～6小时进行气压烧结，获得氮化硅陶瓷材料。作为优选，所述稀土氧化物为氧化钇、氧化镧、氧化铈中的一种或两种。作为优选，所述氮化硅粉末平均粒径为0.2～4um，氧含量低于2%。进一步地，所述步骤（2）中，采用球磨的方式将原料混匀得到氮化硅复合粉料浆，其中，球磨介质为无水乙醇或异丙醇，球、料比为2～3∶1，球磨时间为48～100h。作为优选，所述步骤（3）中，喷雾造粒的工艺条件为氮气气氛，进口温度130～190℃，出口温度65～95℃。再进一步地，所述步骤（4）中，对氮化硅造粒粉进行冷压处理后，还对其进行机械加工处理，减少后续加工余量。作为优选，所述高温烧结炉为石墨发热体烧结炉。具体地说，所述步骤（5）中，埋粉由1～4%氧化镁、1～5%氧化铝、45～56%BN、40～52%氮化硅组成。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过合理的原料选配，利用烧结助剂（氧化镁、氧化铝及稀土氧化物）对氮化硅烧结的助烧作用，有效降低了氮化硅致密化的烧结温度；而借助闭环喷雾造粒和冷等静压成型工艺，则能确保氮化硅坯体烧结前的内外均匀性；采用常压烧结结合气压烧结的两步烧结方法解决气压烧结大尺寸氮化硅易出现“夹芯”现象的问题，通过第一步的常压埋粉预烧，可以在常压下完成材料内部气孔的初步排除，获得内外均匀一致的组织结构，同时将表面气孔烧结至闭合，得到的坯体再经高温气压烧结，进一步排除坯体内部的微孔，从而获得内外一致的高性能大尺寸氮化硅陶瓷材料。在合理的原料选配及工艺设计前提下，本专利技术仅用普通的高温炉和气压烧结炉就能完成高性能氮化硅陶瓷材料的致密化烧结，其不仅制造成本远低于热压、热等静压烧结制品，而且效率高，能轻松实现制品的批量化生产，并且可以生产形状复杂的制品，因此也极大地满足了市场的推广和应用需要。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，本专利技术的方式包括但不仅限于以下实施例。本专利技术提供了一种高性能大尺寸氮化硅陶瓷材料的制备方法，其以氮化硅粉为原料，并辅以氧化镁、氧化铝和稀土氧化物作为烧结助剂，实现氮化硅陶瓷材料的致密化烧结。本专利技术的具体工艺流程如下：（1）按下列重量比准备原料：氮化硅粉85～93%、氧化镁0.5～5%、氧化铝1～7%、稀土氧化物3～10%；所述的氮化硅粉平均粒径为0.2～4um，氧含量低于2%，所述的稀土氧化物则为氧化钇、氧化镧、氧化铈中的一种或两种；（2）将原料放入普通卧式球磨机上，采用球磨的方式将原料混匀得到氮化硅复合粉料浆，其中，球磨介质为无水乙醇或异丙醇，球、料比为2～3∶1，球磨时间为48～100h；（3）采用闭环造粒方式（闭式循环喷雾设备）对氮化硅复合粉浆料进行喷雾造粒，制得氮化硅造粒粉；喷雾造粒的工艺条件为氮气气氛，进口温度130～190℃，出口温度65～95℃；（4）将氮化硅造粒粉倒入橡胶模具，然后进行100～300MPa冷等静压处理成型，制得氮化硅压坯；冷等静压后，可以对氮化硅压坯进行机械加工处理，以便减少后续加工余量；（5）将机械加工后的氮化硅压坯装入高温烧结炉（优选石墨发热体烧结炉），并埋入埋粉，然后于氮气气氛、氮气压力-100～+100mbar、1500～1750℃条件下保温0.5～2小时进行烧结（烧至表面气孔闭合），获得预烧结体；本实施例中的埋粉由1～4%氧化镁、1～5%氧化铝、45～56%BN、40～52%氮化硅组成；（6）将预烧结体装入气压烧结炉内，然后于氮气气氛、氮气压力2～8Mpa、1750～1900℃条件下保温2～6小时进行气压烧结，获得氮化硅陶瓷材料。本专利技术可烧结出直径为200～400mm、壁厚为30～70mm的氮化硅密封环，从而应用于核电主泵一级密封结构中。本专利技术制备的氮化硅密封环致密度≥99.5%，强度>750MPa，硬度15～18GPa，断裂韧性为6～10MPa•m1/2，整体达到了热压、热等静压烧结方法制备材料的性能。下面以几个实例对本专利技术的效果进行阐述。实例1按固体物质总重量按如下比例配制混合粉末：氮化硅粉占93%，氧化钇占5%，氧化镁占1%，氧化铝占1%，该氮化硅粉平均粒径0.6um，氧含量低于1%。然后按照混合粉∶磨球∶异丙醇=1∶3∶0.8的重量比配置磨球和异丙醇，并将上述混合粉末、磨球和异丙醇倒入球磨罐中球磨48小时，得到氮化硅复合粉浆料。而后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能大尺寸氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）按下列重量比准备原料：氮化硅粉85～93%、氧化镁0.5～5%、氧化铝1～7%、稀土氧化物3～10%；（2）将原料混匀，得到氮化硅复合粉料浆；（3）采用闭环造粒方式对氮化硅复合粉浆料进行喷雾造粒，制得氮化硅造粒粉；（4）将淡化硅造粒粉倒入橡胶模具，然后进行100～300MPa冷等静压处理成型，制得氮化硅压坯；（5）将淡化硅压坯装入高温烧结炉，并埋入埋粉，然后于氮气气氛、氮气压力‑100～+100mbar、1500～1750℃条件下保温0.5～2小时进行烧结，获得预烧结体；（6）将预烧结体装入气压烧结炉内，然后于氮气气氛、氮气压力2～8Mpa、1750～1900℃条件下保温2～6小时进行气压烧结，获得氮化硅陶瓷材料。

【技术特征摘要】
1.一种高性能大尺寸氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）按下列重量比准备原料：氮化硅粉85～93%、氧化镁0.5～5%、氧化铝1～7%、稀土氧化物3～10%；（2）将原料混匀，得到氮化硅复合粉料浆；（3）采用闭环造粒方式对氮化硅复合粉浆料进行喷雾造粒，制得氮化硅造粒粉；（4）将淡化硅造粒粉倒入橡胶模具，然后进行100～300MPa冷等静压处理成型，制得氮化硅压坯；（5）将淡化硅压坯装入高温烧结炉，并埋入埋粉，然后于氮气气氛、氮气压力-100～+100mbar、1500～1750℃条件下保温0.5～2小时进行烧结，获得预烧结体；（6）将预烧结体装入气压烧结炉内，然后于氮气气氛、氮气压力2～8Mpa、1750～1900℃条件下保温2～6小时进行气压烧结，获得氮化硅陶瓷材料。2.根据权利要求1所述的一种高性能大尺寸氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述稀土氧化物为氧化钇、氧化镧、氧化铈中的一种或两种。3.根据权利要求1或2所述的一种高性能大尺寸氮化硅陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李先容，朱彩强，汪彩芬，白彬，程本源，常宇，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51