[发明专利]一种常压固相烧结致密铪固溶的碳化钽超高温陶瓷及其制备方法

说明书

本发明涉及一种常压固相烧结致密铪固溶的碳化钽超高温陶瓷及其制备方法，该铪固溶的碳化钽的烧结体包含固溶相和残余石墨相，所述固溶相为铪固溶的碳化钽，所述固溶相的化学组成为Ta_1‑xHf_xC，其中0<x<0.5，所述残余石墨相的体积百分比为4.5～12.3vol.%。该多元固溶体系中金属原子的相互扩散更能提高物质传输的速度，从而促进碳化物的迁移，加速致密化进程。

技术领域

本发明涉及一种铪固溶的碳化钽(Ta_1-xHf_xC)烧结体及其制备方法，属于超高温陶瓷领域。

背景技术

超高温陶瓷，一般指能够实现2000℃以上的高温及环境气氛(如氧原子气氛)下使用，熔点高于3000℃的一类化合物，主要为过渡金属钽、铪、锆的碳化物、硼化物及氮化物陶瓷材料，包括TaC、TaB₂、TaN、HfC、HfB₂、HfN、ZrC、ZrB₂等。通常，超高温陶瓷金属与非金属元素在原子尺度上的结合，使材料同时兼备了金属性，表现出优异的电导和热导性能。卓越的性能使超高温陶瓷能够承受超高音速长时间飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境下，可用于再入式飞行器、大气层内高超声速飞行器的鼻锥、机翼前缘和发动机燃烧室等各种关键热端部件。

所有超高温陶瓷中，由同一晶型的TaC和HfC固溶形成的Ta_1-xHf_xC_y超高温陶瓷熔点最高，接近4000℃。其中已报道的固溶相Ta_0.8Hf_0.2C熔点为3990℃，是目前熔点最高的难熔碳化物。按照一般固溶体的形成规律，Ta原子半径与Hf原子半径相差小于15％，其相应的碳化物有可能互溶生成连续固溶体。成功固溶的Ta_1-xHf_xC_y超高温陶瓷属于立方密堆、NaCl型的晶体结构。此外，除了在烧结过程中杂质氧会对体系中的碳进行消耗，固溶过程中原晶格中的碳也会发生变化，最终也会对产物的微结构与性能产生影响。

考虑到TaC超高温陶瓷较弱的抗氧化性能，氧化产物为熔点较低的Ta₂O₅相。将HfC添加到TaC超高温陶瓷中形成的Ta_1-xHf_xC，在发生氧化后在材料表面形成较致密的含Ta₂Hf₆O₁₉焦绿石结构相的氧化层，更好的对基体材料进行保护，进而大幅度提高其抗氧化能力。由于TaC的抗氧化性能差，氧化产物为Ta₂O₅(熔点低)，而引入HfC原位固溶后，形成固溶相的氧化产物中包括Ta₂Hf₆O₁₉焦绿石结构，可大幅度提高其抗氧化能力。

但是，而Ta_1-xHf_xC固溶相超高温陶瓷的固相烧结致密化困难，致密化后期晶粒快速长大容易导致最终样品中经常包裹封闭气孔，降低材料的力学性能。

发明内容

本发明旨在克服Ta_1-xHf_xC固溶相超高温陶瓷的固相烧结致密化困难、致密化后期晶粒快速长大容易导致最终样品中经常包裹封闭气孔、降低材料的力学性能的技术难题，制备出综合TaC陶瓷和HfC陶瓷的优点、力学性能优异的Ta_1-xHf_xC固溶相超高温陶瓷。