[发明专利]反应烧结陶瓷及其制备工艺

说明书

本发明涉及反应烧结陶瓷，尤其是容易制备的强度和断裂韧性优异并适于用作高温部件如燃气轮机部件、核电站内的耐磨部件、核聚变反应器内所用的抗等离子体部件等的碳化硅、氮化硅或氧化铝陶瓷，并涉及这种陶瓷的制备工艺。

反应烧结法是陶瓷烧结方法的一种，由于成型体和烧结体之间没有显著的尺寸差异，从而可制备具有复杂形状的精确尺寸部件、且其生产费用低，故该法作为工业生产方法是很有利的，然而由于很难把烧结体的气孔率降到15％以下并把烧结体内残余未反应元素的含量降到5％以下，故该法的缺点是难以制备不但高强度、高韧性而且适于作为高温用耐热部件的陶瓷。

总之，在用反应烧结法制备Si₃N₄陶瓷时，精细Si粉末先成型，然后在富N₂或氨气的气氛中，在至少1350℃的温度下进行热处理。根据上述工艺所得的气孔率为17到27％，从而导致室温强度最高为300～500MPa，断裂韧性为2.3到。为了克服这个缺点，已研制出重烧结法，其中，混有烧结助剂的Si粉末先在氮气中反应烧结然后在1750到1900℃下进一步烧结以制备高密度部件，然而在这种情况下，作为反应烧结法最大优点的近净尺寸特性就丧失为缺点，另一方面，用反应烧结法制备SiC陶瓷时，可利用如日本特许公报No.38,061/1970所述的方法，其中对SiC粉末与碳的混合物在1600～1700℃下用熔融硅浸渍以使Si与碳进行生成碳化硅的反应。该方法的缺点是所得材料的强度普遍低，为从大约300到约500MPa，并且，材料内存留有约10％含量的Si。日本特许公开No.12678/1987揭示了一种用反应烧结法制备Al₂O₃陶瓷的方法，包括在由例如Al₂O₃等构成的毛坯附近放置基体金属，例如Al，加热并融化基体金属使熔融金属材料与氧化剂例如含有氧气的气体反应从而生成氧化反应产物，并进而通过氧化反应产物把熔融金属渗入毛坯内部以得到复合陶瓷材料。以上述方法制备的材料抗弯强度低，为200～500MPa，而材料内残余Al含量相反却高达4到22％。

前述每一种常规技术，在化学反应(烧结)过程中都是把毛坯放在等温区内引入反应组分如氮气、熔融硅或氧气以在毛坯内部发生化学反应从而制备碳化硅、氮化硅或氧化铝基体。这种情况下，由于毛坯被放在等温区内，故在反应初期上述化学反应物通过毛坯内的孔洞扩散贯穿到整个坯体，使毛坯与反应组分之间的反应贯穿整个坯体同时进行。由于坯体的相对气孔率为60～70％，具有许多气孔，故上述反应组分能很容易渗入到毛坯内部。

众所周知，随着反应的进行，毛坯内的孔洞逐渐被反应生成的烧结物充填满，而反应组分如氮气、熔融硅或氧气逐渐难以到达反应界面，尤其是毛坯的中心周围，从而使整个样品不能完全致密。另外，现已发现随着反应的进行，由于化学反应而在反应位置生成的气体成分(例如SiO、CO气体等)也逐渐难以逸出，从而阻碍了样品的致密化。因而，已发现传统技术，即把毛坯放置在等温区然后反应烧结，有对所得陶瓷性能的局限性。

本发明的一个目的就是提供一种强度和断裂韧性优异从而适于作为高温部件例如燃气轮机部件、核电站内的耐磨部件、核聚变反应器内所用的抗等离子体部件等等的反应烧结陶瓷并提供制备这种陶瓷的适宜工艺。

与把毛坯放置在等温区内使化学反应贯穿整个样品同时进行的情况不同，可使化学反应在毛坯的局部区域内进行，其中发生化学反应的区域界面横截毛坯内部，这种情况能达到上面所述的目的。

通过作为提高金属材料高温强度的一种方法的单向固化法而制得的柱状晶体材料和通过Bridgman法制得的单晶Ni基高温合金已经被投入实际使用制备燃气轮机叶片等。对于陶瓷，例如在日本金属学会志vol 59 No.1(1995).PP71-78中所述，也已研究了提高其物理性能例如高温强度的方法。众所周知，区域烧结法如在FC Re-port.10(1992)No.1等中所述，是一种制备大尺寸烧结体的方法，其中要烧结的材料在穿过其内部保持为高温的炉体内部的同时被一部分一部分地烧结。上述方法虽目的各异，但在方法论上都有类似之处，即要烧结的材料在穿过炉体内部的同时在炉内一部分一部分地烧结。然而上述方法只适用于制备氧化铝和氧化铝-氧化钇复合烧结体。本发明基于这样一种发现，就是对要反应烧结的陶瓷能应用区域烧结法解决反应烧结陶瓷所特有的问题即因烧结体内存留有未反应部分而降低其强度。