[发明专利]一种高致密度超高温Ta4HfC5陶瓷块材的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高致密度超高温Ta₄HfC₅陶瓷块材的制备方法，属于超高温陶瓷技术领域。

背景技术

高超音速代表下一代先进飞行器的发展方向，飞行器的高速运动会使其表面的鼻锥、前缘驻点等产生高达上千摄氏度，甚至数千摄氏度的高温，同时要保持高温结构稳定性，而且其内部的推进系统超燃冲压发动机，高温时可达到3000℃，同时在服役的过程中会有氧化和化学侵蚀环境，鉴于这些苛刻的条件，难熔金属材料、石墨材料、纤维增强树脂复合材料、 C/C复合材料等难以满足使用需求，需要进一步开发更加耐高温、耐烧蚀的防热材料。TaC 和HfC具有很高的硬度，优秀的弹性模量，而且能够很好地抵抗化学腐蚀、烧蚀以及热冲击，尤其是TaC-HfC系列中的4TaC-HfC(Ta₄HfC₅)有着已知材料中极高的熔点4178K，成为航空航天领域新型高温结构的候选材料。

TaC和HfC具有相同的NaCl型面心立方结构，理论上能够无限固溶，Ta₄HfC₅固溶体得以形成，但是由于其熔点高、硬度大，以及原子之间依靠分子键连接，难以烧结致密。制备块材Ta₄HfC₅陶瓷材料的方法有很多种，如固相烧结法、热压烧结法、热等静压烧结法等。固相烧结法在常压下进行烧结，烧结方式简单，成型的块材致密度低，各项性能差；热压烧结法和热等静压烧结法都存在石墨模具中的C原子向陶瓷材料中扩散产生杂质以及成本较高的问题。

发明内容

本发明内容是针对现有技术存在的问题，提供一种高致密度超高温Ta₄HfC₅陶瓷块材的制备方法，所述制备方法利用SPS(放电等离子烧结)技术，降低超高温陶瓷Ta₄HfC₅烧结温度，提高其致密度。

本发明提供的一种高致密度超高温Ta₄HfC₅陶瓷材料块材的制备方法，包含以下步骤：

第一步，配料和混合。

将原始Ta₄HfC₅的固溶体粉末和烧结助熔剂TaSi₂按照下述的体积百分比用量进行配比： Ta₄HfC₅的固溶体粉末88％～94％、TaSi₂ 6％～12％，混合配料，得到Ta₄HfC₅/TaSi₂混合粉末。

第二步，高能球磨。

将第一步中得到的混合粉末放入球磨罐中进行高能球磨，并且采用高纯Ar气作为保护气氛，球磨的速度为200～300r/min，球磨的时间为5～20小时，球磨得到D50为4.0μm～1.3μm 的混合粉末。

第三步，SPS烧结(放电等离子烧结)制备高致密度超高温Ta₄HfC₅陶瓷块材。

将第二步中球磨后的混合粉末装入石墨模具中，然后将石墨模具转移至放电等离子烧结炉炉腔中，施加30MPa～50MPa的轴向压力，在惰性气体的保护下升温至烧结温度1570℃～2000℃进行烧结，烧结的保温时间为3min～15min。

所述烧结温度从室温开始，升温速率为100℃/min，在烧结的过程中放电等离子烧结炉炉腔的真空度为3Pa～10Pa，保温结束以后，试样随炉冷却至室温，取出，即可得到所述的高致密度超高温Ta₄HfC₅陶瓷块材。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明中使用的原料为固溶体Ta₄HfC₅陶瓷材料的粉末形态而非TaC和HfC的混合粉末，避免两种粉末混合的复杂程序，以及两种粉末粒径的分布不同和混合的不均对烧结产生影响。

2、本发明中，烧结的过程中可以发现在一定的范围内随着助熔剂添加量的增加，烧结出的试样的致密度越高，性能越好，同时助熔剂的存在还能消耗颗粒表面依附的氧，减少Ta₄HfC₅粉末被氧化。