專利名稱：一種在鈦碳化硅材料表面制備硅化物涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)，具體地說(shuō)是一種在鈦碳化硅材料表面制備硅化物涂層的方法。
背景技術(shù)：
鈦碳化硅(Ti3SiC2)是一種性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)/功能一體化材料，它有機(jī)地綜合了金屬的塑性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、易加工性和陶瓷的耐高溫、抗熱沖擊、高強(qiáng)度和低比重等特點(diǎn)，作為高溫結(jié)構(gòu)材料以及熔鹽電解電極等具有廣闊的應(yīng)用前景，目前受到研究者的極大關(guān)注。
但鈦碳化硅(Ti3SiC2)在1000℃以上抗高溫氧化性能差，原因是雖然其材料內(nèi)含硅，氧化時(shí)卻形不成完整連續(xù)的二氧化硅膜。在900～1300℃下的恒溫氧化實(shí)驗(yàn)以及X射線衍射分析表明，鈦碳化硅表面形成外層為二氧化鈦和內(nèi)層為二氧化鈦和二氧化硅混合物的雙層結(jié)構(gòu)的氧化膜。一般地，在1000℃以上只有SiO2和Al2O3才具有良好的抗氧化保護(hù)性能。因此，只要增加材料表面的硅含量就會(huì)改善其抗氧化性能，而表面滲硅是一條簡(jiǎn)捷有效的途徑。Tamer El-Raghy和Michel W. Barsoum(文獻(xiàn)Tamer El-Raghy and Michel W.Barsoum，Diffusion kinetics of the carburization andsilicidation of Ti3SiC2，J.Appl.Phys.83(1)(1998)112-119)曾經(jīng)將鈦碳化硅材料夾在兩個(gè)單晶硅片之間，施加一定的壓力使它們保持良好的接觸，然后在1200～1350℃下真空中熱處理，在鈦碳化硅材料表面獲得了硅化物涂層。但上述方法只能處理光滑表面，并需施加外力和在真空中進(jìn)行，因此成本高且工藝復(fù)雜，實(shí)用性差。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、實(shí)用性強(qiáng)且能有效地提高鈦碳化硅材料抗高溫氧化性能的在鈦碳化硅(Ti3SiC2)材料表面制備硅化物涂層的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是用硅粉、氧化鋁粉、氟硅酸鉀、氟化鈉混合而成的固體粉末混合物為滲料，將鈦碳化硅材料放入滲料中，在惰性氣體保護(hù)下，以20～40℃/min的升溫速度、在1000～1200℃條件下、保溫2～8小時(shí)，進(jìn)行熱擴(kuò)散處理，然后爐冷至室溫，即在樣品表面形成10～60微米厚的二硅化鈦和碳化硅涂層；本發(fā)明所述粉末混合物組成以重量百分比計(jì)硅粉(Si)25～80，氧化鋁粉(Al2O3)15～70，氟硅酸鉀(K2SiF6)0.5～3，氟化鈉(NaF)0.5～3；所述硅粉(Si)純度≥99.00％、粒度≤0.4毫米；氧化鋁(Al2O3)純度≥99.00％、粒度≤0.4毫米；氟硅酸鉀(K2SiF6)為分析純；氟化鈉(NaF)為分析純；所述惰性氣體為純度≥99.99％的氬氣或純度≥99.99％的氦氣。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.采用本發(fā)明所制備的涂層具有優(yōu)良的抗高溫氧化性能，能顯著地降低鈦碳化硅的高溫氧化速度。在1200℃下空氣中恒溫氧化20小時(shí)后，Ti3SiC2的氧化增重達(dá)0.35kg/m2，而涂層的氧化增重只有0.022kg/m2，降低了16倍。在1100℃下和1200℃空氣中恒溫氧化時(shí)，Ti3SiC2氧化的拋物線速度分別為4.43×10-7和1.81×10-6kg2m-4s-1，而涂層的相應(yīng)數(shù)據(jù)分別為1.58×10-9和5.15×10-9kg2m-4s-1，降低了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。在1100℃下的循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)證明涂層表面氧化膜的抗剝落性能也有改善。表面氧化膜主要由SiO2組成，同時(shí)含少量TiO2。
2.本發(fā)明采用固體硅粉及其它添加劑的混合物包埋鈦碳化硅材料的樣品，經(jīng)高溫?zé)釘U(kuò)散，獲得硅化物涂層。制備過(guò)程并不需施加外力，不用在真空中進(jìn)行，所以它方法簡(jiǎn)單，并且成本低廉。
3.采用本發(fā)明能處理光滑表面，還能處理具有復(fù)雜表面的實(shí)際工件，應(yīng)用范圍廣，應(yīng)用本發(fā)明可使Ti3SiC2材料應(yīng)用于高溫腐蝕性環(huán)境中。
圖1為本發(fā)明Ti3SiC2經(jīng)滲硅處理后表面的X射線衍射譜。
圖2為本發(fā)明Ti3SiC2經(jīng)滲硅處理后表面形成的硅化物涂層掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳述本發(fā)明。
實(shí)施例1本發(fā)明固體粉末混合物的組成硅粉(Si)純度≥99.00％、粒度≤0.4毫米；氧化鋁(Al2O3)純度≥99.00％、粒度≤0.4毫米；氟硅酸鉀(K2SiF6)為分析純；氟化鈉(NaF)為分析純；固體粉末混合物組成按重量百分計(jì)硅粉25～80％、氧化鋁15～70％、氟硅酸鉀0.5～3％、氟化鈉0.5～3％。
在料罐中用滲料包埋鈦碳化硅材料的樣品，然后將料罐放置在一個(gè)可抽真空及充氬氣的系統(tǒng)中，先抽系統(tǒng)真空至1～10Pa，然后充入氬氣(99.99％Ar)，以20～40℃/min的升溫速度加熱至1000～1200℃，保持2～8小時(shí)后自然冷卻至室溫，即完成滲硅全部工藝過(guò)程，獲得由二硅化鈦(TiSi2)和碳化硅(SiC)兩相組成的涂層，厚度為10～60微米。
本實(shí)施例具體數(shù)據(jù)為鈦碳化硅樣品尺寸為10×5×2毫米，粉末混合物組成以重量百分比計(jì)66％硅、33％氧化鋁、0.5％氟硅酸鉀、0.5％氟化鈉，總重量為175g；抽系統(tǒng)真空至10Pa，然后充入氬氣(99.99％Ar)；加熱溫度1100℃；升溫速度35℃/min；保溫時(shí)間6小時(shí)。爐冷至室溫后取出試樣。
經(jīng)X射線衍射分析表明，經(jīng)上述工藝處理后鈦碳化硅材料表面形成了二硅化鈦(TiSi2)和碳化硅(SiC)混合組成的涂層，X衍射譜見(jiàn)圖1。用掃描電子顯微鏡觀察表面和斷面，證實(shí)滲后的樣品表面光滑，呈黑灰色；形成了完整連續(xù)且結(jié)合力好的涂層，厚度為50微米，參見(jiàn)圖2。通過(guò)測(cè)量滲后樣品的質(zhì)量變化，滲入的量為21mg/cm2。
施加硅化物涂層后，鈦碳化硅在1100～1200℃空氣中恒溫氧化的拋物線速度常數(shù)降低了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了完全抗氧化級(jí)。而1100℃下的循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)(氧化1小時(shí)后空冷15分鐘為一次循環(huán))證明了涂層表面氧化膜的抗剝落性能也有改善。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于鈦碳化硅材料樣品10×5×2毫米，粉末混合物組成以重量百分比計(jì)35％硅、63％氧化鋁、1％氟硅酸鉀、1％氟化鈉，總重量為125g；加熱溫度1050℃；保溫時(shí)間6小時(shí)。爐冷至室溫后取出試樣。
經(jīng)檢驗(yàn)在鈦碳化硅材料樣品表面形成22微米厚的二硅化鈦(TiSi2)和碳化硅(SiC)混合組成的涂層。滲后的氧品表面光滑，呈黑灰色。斷面觀察，涂層連續(xù)完整，與基體結(jié)合好。
本發(fā)明所述惰性氣體亦為純度≥99.99％的氦氣。
權(quán)利要求
1.一種在鈦碳化硅材料表面制備硅化物涂層的方法，其特征在于用硅粉、氧化鋁粉、氟硅酸鉀、氟化鈉混合而成的固體粉末混合物為滲料，將鈦碳化硅材料包埋在滲料中，在惰性氣體保護(hù)下，以20～40℃/min的升溫速度、在1000～1200℃條件下、保溫2～8小時(shí)，進(jìn)行熱擴(kuò)散處理，然后爐冷至室溫，即在樣品表面形成二硅化鈦和碳化硅涂層。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于按重量百分計(jì)，所述粉末混合物組成以重量百分比計(jì)硅粉25～80，氧化鋁粉15～70，氟硅酸鉀0.5～3，氟化鈉0.5～3。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述硅粉純度≥99.00％、粒度≤0.4毫米；氧化鋁純度≥99.00％、粒度≤0.4毫米；氟硅酸鉀為分析純；氟化鈉為分析純。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述惰性氣體為純度≥99.99％的氬氣或純度≥99.99％的氦氣。
全文摘要
本發(fā)明屬于表面工程技術(shù),具體是一種在鈦碳化硅(Ti
文檔編號(hào)C04B41/87GK1379000SQ02109468
公開(kāi)日2002年11月13日 申請(qǐng)日期2002年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月12日
發(fā)明者張亞明, 李美栓, 劉光明, 周延春 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所