[发明专利]一种抗低温氧化的二硅化钼基合金及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于结构材料技术领域，尤其是涉及一种抗低温氧化的二硅化钼基合金及其制备工艺。

背景技术

金属间化合物二硅化钼（MoSi₂）以其较高的熔点（2030℃）、良好的高温抗氧化性等优势而被认为是继Ni基超合金、TiAl基化合物和结构陶瓷之后出现的极具竞争力的高温（1200～1600℃）结构候选材料。MoSi₂电热元件在空气中的最高使用温度已经达到1800℃。但是，室温韧性差、高温易蠕变以及低温粉化瘟疫现象（Pest）三大缺陷严重限制了其作为结构材料的实用化进程。

Pest氧化现象，即在某一特定温度范围内结构快速发生灾难性破坏，同时伴随有加速内氧化过程的行为，Pest现象是1955年Fitzer在研究MoSi₂的低温氧化过程中首先发现并命名。他们发现尽管MoSi₂在1500℃以上的高温环境下具有良好的抗氧化性能，但是在低温MoSi₂表现出灾难性粉化行为，甚至在空气气氛中暴露几分钟就可以完全粉化，这种现象非常类似于锡的低温粉化（tin pest），因而Fitzer把MoSi₂的低温粉化现象称之为Pest。随后Westbrook总结了自1899年以来的文献资料，发现不仅MoSi₂存在Pest现象，包括NbSi₂在内的许多硅化物和铝化物都存在Pest现象。

自从Fitzer发现MoSi₂低温“Pest”现象之后，Fitzer、Meschter和Chou等众多的学者对MoSi₂低温“Pest”机理及防止方法进行了深入的研究，有关“Pest”现象出现了多种解释，至今还未得到定论。但是，大量的研究表明无裂纹、无空隙并且致密度>98％的材料可以避免“Pest”现象的发生。Westbrook认为“Pest”是由于氧在晶界的偏析和沿晶界的扩散，引起晶界脆化和沿晶裂纹所致。Kurokawa等认为裂纹、孔洞和SiO₂夹杂是影响材料发生加速氧化的主要因素，Kuchino具体研究了火花等离子烧结材料的氧化特性，认为晶界的SiO₂为氧的进入提供了方便的通道，通过原位合成致密的（99%）MoSi₂中因含有很少量的SiO₂，表现出良好的低温抗氧化性。

NbSi₂同样具有Pest现象，1961年Rausch进行了首次报道，其后Pitman、Kurokawa、Murakami、张芳等先后对其进行了深入研究。Pitman和Murakami先后证实NbSi₂在1023K存在严重的Pest现象，通过添加Cr可以有效抑制Pest现象的发生；Kurokawa认为NbSi₂在1073K及以上温度表现出明显的加速氧化行为；张芳等认为含有大量微裂纹的电弧熔炼多晶样品在1023K经3h氧化后完全粉化，而单晶和SPS多晶样品经过89h后依然完整，但其氧化动力学曲线呈线性规律，氧化产物为疏松的Nb₂O₅和SiO₂，因而其Pest现象是本征无保护条件下氧元素与基体元素直接反应的过程。

目前对MoSi₂进行改性的一条重要途径是添加第三种元素（Nb、W、Al、Ti、Cr、B、Ta、La等）合金化，尽管力学性能有所提高，但还缺少关于Nb、W、Ti、Cr等合金化MoSi₂材料抗低温加速氧化的技术，因而有必要开展相关工作。

发明内容