MoSi₂/Mo復合粉體及Mo-Si-B復合材料的制備方法

專利名稱：MoSi₂/Mo復合粉體及Mo-Si-B復合材料的制備方法
技術領域：
本發明屬于高新材料制備方法領域，具體涉及一種MoSi2/Mo復合粉體及Mo-Si-B 復合材料的制備方法。
背景技術：
在現代工業中，高溫過程越來越普遍，這也對一些設備的使用溫度提出了更高的 要求，如渦輪機、熱交換器和加熱元件等。人們對可能能夠在高溫下使用的金屬間化合物 進行了廣泛的研究。先后開發的M3Al和Ti3Al等鋁化物雖然室溫塑性好、比強度高，但高 于650°C時抗氧化性能低劣，需要施加保護涂層；TiAl合金在溫度高于80(TC時也表現出較 差的抗氧化性；Al3Ti則存在熔點較低(1340°C)、成分范圍較窄的缺點；MoSi2具有高的熔 點(2030°C)和優異的高溫抗氧化性能，作為高溫工業爐的發熱元件使用溫度已經達到了 1800°C，然而MoSi2基合金的室溫力學性能和高溫抗蠕變性能都比較差，在500°C左右還易 于發生PEST粉化氧化，這些缺陷限制了 MoSiJt為高溫結構材料的廣泛應用；Mo5Si3也是一 種能夠用于高溫環境的結構材料，其抗蠕變性能優于MoSi2,但高溫抗氧化性能非常差。而 B摻雜改性的MoSi2/Mo5Si3復合材料則兼具有Mo5Si3較好的抗蠕變性和MoSi2良好的高溫 抗氧化性，是一種極具開發潛力的高溫結構材料。但如何實現復合材料組織結構的最優化， 是目前面臨的問題之一。

發明內容
本發明的目的在于提供一種MoSi2/Mo復合粉體及Mo-Si-B復合材料的制備方法。為實現上述目的，本發明采取如下技術方案MoSi2/Mo復合粉體的制備方法， MoSi2/Mo復合粉體中，MoSi2為核，Mo為包裹層，制備步驟如下
(1)根據所要求包裹層Mo的厚度，選定合適粒度的待處理粉體MoSi2,其原則為粉體 MoSi2的粒度為包裹層Mo厚度的3飛倍，粒度和厚度單位均為微米；
(2)真空處理粉體MoSi2真空度為10，10_4Pa，處理溫度為140(Tl60(rC，處理時間由 公式h=Kt"2確定，其中h-包裹層Mo厚度，單位為微米，K-與材料性質、處理溫度有關的 常數，t為處理時間，單位為小時。Mo-Si-B復合材料的制備方法，步驟如下
第一步，制備MoSi2/Mo復合粉體，其中，MoSi2為核，Mo為包裹層
(1)根據所要求包裹層Mo的厚度，選定合適粒度的待處理粉體MoSi2,其原則為粉體 MoSi2的粒度為包裹層Mo厚度的3飛倍，粒度和厚度單位均為微米；
(2)真空處理粉體MoSi2真空度為10，10_4Pa，處理溫度為140(Tl60(rC，處理時間由 公式h=Kt"2確定，其中h-包裹層Mo厚度，單位為微米，K-與材料性質、處理溫度有關的 常數，t為處理時間，單位為小時；
第二步，制備Mo-Si-B復合材料
(3)將處理過的粉體MoSi2根據Mo-Si-B復合材料的組成要求摻雜B粉，通過粉末冶金的方法制成Mo-Si-B復合材料。所述粉末冶金的方法為本領域常規方法，優選其中的熱壓法(HP)或火花放電等離 子燒結法(SPS)。Mo-Si-B復合材料的組成為Mo-15Si_10B，粉末冶金的方法為熱壓法(HP)在 16500C、IOMPa下保溫2小時。Mo-Si-B復合材料的組成為Mo-15Si_10B，粉末冶金的方法為火花放電等離子燒 結法(SPS)在1350°C、70MPa下保溫5分鐘。本發明中真空狀態降低了真空室內的氧分壓，利用硅化物在不同氧分壓下選擇氧 化的特點，在特定的氧分壓下對硅化物粉體進行選擇氧化，使硅化物中的Si轉變為SiO揮 發掉，制備出原位包裹的MoSi2/Mo復合粉體，然后利用粉末冶金的方法，通過材料內部的固 相擴散反應，使包裹層的金屬轉變為相應的低硅化合物，如Mo5Si3等，制備成相應的具有網 絡狀顯微組織結構的復合材料。本發明方法也可用于類似體系的復合材料的制備，如Nb、 W、Ti、Re等的硅化物。本發明方法具有以下優點
1、利用選擇氧化的方法制備原位包裹的復合粉體，并通過對處理溫度和處理時間的控 制來控制包裹層的厚度，從而可以實現復合材料中第二相含量的控制；
2、由于采用原位制備的方法，復合粉體界面干凈，包裹層厚度均勻，可以避免復合材料 中第二相的偏析；
3、改變第二相材料的引入方式和分布狀態，復合材料中的第二相分布均勻，與基體相 結合良好，且形成連續的網絡結構，實現復合材料組織結構的最優化，從而來改善復合材料 的綜合性能；
4、制備的Mo-Si-B復合材料相對密度高于95%；
5、工藝簡單，周期短，易于實現工業化生產。本發明既可用于科研研究工作，也適用于工業化生產，在高新材料研究開發領域 具有重要的實用價值。


圖1為本發明方法制備的Mo-15Si_10B復合材料的SEM形貌圖。
具體實施例方式以下結合具體實施例對本發明的技術方案做進一地詳細介紹，但本發明的保護范 圍并不局限于此。實施例1
MoSi2/Mo復合粉體的制備方法，MoSi2/Mo復合粉體中，MoSi2為核，Mo為包裹層，制備步 驟如下
(1)根據第二相含量的要求，確定粉體顆粒表面包裹層Mo的厚度為5微米，選定粒度為 20微米的待處理粉體MoSi2 (其原則為粉體MoSi2的粒度為包裹層Mo厚度的4倍)；
(2)真空處理粉體MoSi2將所選粉體MoSi2放入合適的盛放器皿，自然松散堆積，放入 高溫真空處理設備中。在整個處理過程中，要求設備的真空度始終處于10_4Pa，處理溫度保持在1600°C，處理4小時后獲得MoSi2/Mo復合粉體(處理時間由公式h=Kt"2確定，其中 h-包裹層Mo厚度，單位為微米，K-與材料性質、處理溫度有關的常數，t為處理時間，單 位為小時；對于不同體系的材料，要事先通過實驗方法確定公式h=Kt"2中的常數K (K值 確定過程為以產(單位小時)為橫坐標，h (單位微米)為縱坐標，固定處理溫度，測一 組數據，擬合出一條直線，求該直線的斜率即為該處理溫度下的K值)。對于MoSi2M料，在 1600°C時的K值為2. 5。也就是說，在1600°C下將MoSi2處理4小時，包裹層的厚度為5微 米)。Mo-Si-B復合材料的制備方法，步驟如下
第一步，制備MoSi2/Mo復合粉體，其中，MoSi2為核，Mo為包裹層 (1)、(2)步驟同上； 第二步，制備Mo-Si-B復合材料
(3)將處理過的粉體MoSi2根據Mo-15Si-10B (at%,原子百分比)的組成摻雜B粉，通 過粉末冶金的方法制備Mo-15Si-10B復合材料。所述粉末冶金的方法為熱壓法(HP)，在1650°C、10MPa下保溫2小時。用本發明方法制備的組成為Mo-15Si_10B (at%，原子百分比)復合材料，第二相分 布均勻，強化相與基體之間界面干凈(參見圖1)。相對密度高于95%，利用單邊切口梁法測 得斷裂韌性為14MPa · m"2，而用傳統方法(即直接按復合材料的組成要求配料，通過粉末冶 金的方法制備)制備的組成為Mo-12Si-8.5B (at%，原子百分比)的復合材料，雖然具有更高 的金屬相a-Mo含量，但用相同方法測得的斷裂韌性卻僅為9. 5Mpa ^“2，這是因為前者的組 織結構要優于后者。如上所述，本發明可以通過較為簡單的工藝過程來設計Mo-Si-B等復合材料的組 織結構，制備高性能的復合材料。本發明所制備的復合材料第二相分布均勻，強化相與基體 之間界面干凈，復合材料組織結構可控，最終可以使復合材料的性能得到提高。實施例2
與實施例1的不同之處在于
MoSi2/Mo復合粉體的制備方法之步驟(1)中確定粉體顆粒表面包裹層Mo的厚度為5 微米，選定粒度為25微米的待處理粉體MoSi2 (其原則為粉體MoSi2的粒度為包裹層Mo厚 度的5倍)；步驟(2)中，真空度始終處于10_2Pa。實施例3
與實施例1的不同之處在于
MoSi2/Mo復合粉體的制備方法之步驟(1)中確定粉體顆粒表面包裹層Mo的厚度為5 微米，選定粒度為15微米的待處理粉體MoSi2 (其原則為粉體MoSi2的粒度為包裹層Mo厚 度的3倍)；步驟(2)中，真空度始終處于IO-3Pa ；
Mo-Si-B復合材料的制備方法之步驟(3)中粉末冶金的方法為火花放電等離子燒結 法(SPS)在1350°C、70MPa下保溫5分鐘。
權利要求
1.MoSi2/Mo復合粉體的制備方法，其特征在于MoSi2/Mo復合粉體中，MoSi2為核，Mo為 包裹層，制備步驟如下(1)根據所要求包裹層Mo的厚度，選定合適粒度的待處理粉體MoSi2,其原則為粉體 MoSi2的粒度為包裹層Mo厚度的3飛倍，粒度和厚度單位均為微米；(2)真空處理粉體MoSi2真空度為10，10_4Pa，處理溫度為140(Tl60(rC，處理時間由 公式h=Kt"2確定，其中h-包裹層Mo厚度，單位為微米，K-與材料性質、處理溫度有關的 常數，t為處理時間，單位為小時。
2.Mo-Si-B復合材料的制備方法，其特征在于步驟如下第一步，制備MoSi2/Mo復合粉體，其中，MoSi2為核，Mo為包裹層(1)根據所要求包裹層Mo的厚度，選定合適粒度的待處理粉體MoSi2,其原則為粉體 MoSi2的粒度為包裹層Mo厚度的3飛倍，粒度和厚度單位均為微米；(2)真空處理粉體MoSi2真空度為10，10_4Pa，處理溫度為140(Tl60(rC，處理時間由 公式h=Kt"2確定，其中h-包裹層Mo厚度，單位為微米，K-與材料性質、處理溫度有關的 常數，t為處理時間，單位為小時；第二步，制備Mo-Si-B復合材料(3)將處理過的MoSi2粉體根據Mo-Si-B復合材料的組成要求摻雜B粉，通過粉末冶金 的方法制成Mo-Si-B復合材料。
3.如權利要求2所述的Mo-Si-B復合材料的制備方法，其特征在于所述粉末冶金的 方法為熱壓法或火花放電等離子燒結法。
4.如權利要求3所述的Mo-Si-B復合材料的制備方法，其特征在于=Mo-Si-B復合材料 的組成為Mo-15Si-10B，粉末冶金的方法為熱壓法在1650°C、IOMPa下保溫2小時。
5.如權利要求3所述的Mo-Si-B復合材料的制備方法，其特征在于=Mo-Si-B復合材料 的組成為Mo-15Si-10B，粉末冶金的方法為火花放電等離子燒結法在1350°C、70MPa下保 溫5分鐘。
全文摘要
本發明屬于高新材料制備領域，具體公開一種MoSi2/Mo復合粉體及Mo-Si-B復合材料的制備方法。(1)根據所要求包裹層Mo的厚度，選定合適粒度的待處理粉體MoSi2，其原則為粉體MoSi2的粒度為包裹層Mo厚度的3~5倍，粒度和厚度單位均為微米；(2)真空處理粉體MoSi2真空度為10-2~10-4Pa，處理溫度為1400~1600℃，處理時間由公式h=Kt1/2確定，其中h--包裹層Mo厚度，單位為微米，K--與材料性質、處理溫度有關的常數，t為處理時間，單位為小時；(3)將處理過的粉體，通過粉末冶金的方法制備Mo-Si-B復合材料。本發明方法可以實現復合材料中第二相含量的控制，避免復合材料中第二相的偏析，可以實現復合材料組織結構的最優化，從而來改善復合材料的綜合性能。
文檔編號C22C29/18GK102134659SQ20111005190
公開日2011年7月27日 申請日期2011年3月4日 優先權日2011年3月4日
發明者鄭國軍, 郜劍英 申請人:鄭州嵩山電熱元件有限公司