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CN1391539A - 具有高强度的硅化钼材料 - Google Patents

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Abstract

在室温和高温下均具有高强度的硅化钼材料，是一种由包括MoSi2和ZrO2的混合物制成的复合材料。本发明的特征在于：所述混合物包括5－30％(体积)ZrO2和5－15％(体积)MoB，以及，以SiO2形式存在于MoSi2粒子上或者其中的氧的含量低于0.5％(重量)，根据一个最优选的实施方案，所述复合材料包含3－35％(体积)SiC。

Description

具有高强度的硅化钼材料
本发明涉及一种甚至在低温，例如室温下具有高强度，并且还具有良好的高温强度以及良好的氧化性能的硅化钼材料。
金属材料具有非常好的低温物理性能，但其高温物理性能较差。甚至合金化的金属材料也如此。实际上，金属材料的使用温度不超过约1100℃。
陶瓷材料如SiC具有良好的高温性能，但是其在整个温度范围都很脆。
金属间化合物材料，例如，Ni，Ti和Fe的铝化物具有良好的高温性能，但它们的实际应用温度均低于1000℃。
硅化物，例如硅化钼，是具有吸引力的金属间化合物材料，其高温物理性能非常优异，硅化物由于能在表面形成起保护膜作用的玻璃层，还具有非常好的氧化和腐蚀性能。
然而，与大多数的金属间化合物材料相同，硅化物的室温韧性和破坏强度较低。硅化物的脆-韧转化温度(BDTT)通常较高，例如，MoSi2的BDTT高于1000℃。低于该转化温度，硅化物极脆，其冲击强度很低。高于所述转化温度，硅化物的延伸性能和拉延缩径性能优于金属。由于硅化物在高于转化温度时发生蠕变和塑性变形，高温强度的增加可使硅化物在高温应用场合更具竞争力。
已试验了不同的方法来提高硅化物的RT(室温)硬度和HT(高温)强度。结果，采用V，Ti，Nb，Ta和Al对硅化钼进行合金化来调整其显微组织，并且由此提高其强度。
另外，已对MoS2-ZrO2复合物进行了研究，ZrO2具有三种清晰的晶体结构，即，monoklinisk(M)，立方的(T)和立方的(C)。M相最高稳定温度是1170℃，当达到该温度时，其将轩变成T相。T相最高稳定温度为2370℃，之后，C相最高可稳定至熔点2680℃。该复合材料也已采用Y2O3，MgO，CaO或CeO2作为稳定剂。用这种方法可使该材料在低于1170℃的温度下的韧性得以改善。
然而，腐蚀和氧化试验表明：这种材料的性能不如单一硅化钼和商标为KANTHAL SUPER的材料。
本发明的目的就是解决这一问题，并且提供一种氧化和腐蚀性与单一硅化钼或KANTHAL SUPER相当，同时具有较高的RT-Hv和TR-Kc的材料。
因此，所述的材料是一种在室温和高温下均具有高强度的硅化钼材料，其是一种复合材料，由包含MoS2和ZrO2的混合物制成，其特征在于：所述混合物还包括5-30％(体积)ZrO2和5-15％(体积)MoB，而且，以SiO2形式存在于MoSi2粒子上或者其中的氧的含量低于0.5％(重量)。
氧含量低可使韧性明显提高，而且还可使室温硬度增加。对此重要的是将氧含量降低。如果将氧含量降至低于约0.35(重量)，则改善程度更大。如果氧含量超过所述值，要使韧性显著提高则是不切实际的。
以SiO2形式存在于MoSi2粒子上和其中的氧在烧结条件下与ZrO2反应，形成ZrSiO4。ZrSiO4在ZrO2粒子上形成一包围层，该层降低拉伸强度，并且因此使材料强度降低。因此，目的之一是减少ZrSiO4的含量。氧含量为0.36％(重量)时，采用XRD(X射线衍射)分析，未检测到ZrSiO4。
根据另一个实施方案，所述复合材料包含10-30％(体积)的ZrO2。
MoB能改善所形成的氧化物性能，原因在于其能改变氧化物的粘度，并且，因此能够形成非常均匀的可有效防止材料腐蚀的氧化物层。MoB甚至还有助于材料获得更高的硬度。
根据一个优选实施方案，所述复合材料含有8-12％(体积)的MoB。
此外，优选使用未稳定化的ZrO2，当由所述T相转变成所述M相时，未稳定化的ZrO2会引起体积增加。该体积增加量为3-5％(体积)。该体积增加继而起微裂纹源的作用，这可使室温韧性提高。
但是，由MoSi2，ZrO2和MoB构成的材料的高温破断性能仍较差。
根据一个更优选的实施方案，所述复合材料因此还包含5-35％(体积)SiC。优选所述材料包含3-10％(体积)SiC。
为了在高温下获得高的破断强度和低的蠕变率，约3至5％(体积)的SiC似乎就足够。
所述SiC可以作为化合物形式添加，但是优选通过在烧结之前将碳粉末添加至所述复合材料来形成SiC，并且优选SiC在烧结期间原位形成。
为了获得所述SiC，优选在烧结之前所述复合材料包括0-3％(重量)的碳粉末形式的碳。
通过添加碳粉末，粉末C将与MoSi2反应形成Mo5Si3和SiC。
当所述材料包含SiC时，其中的氧的含量与不存在SiC时同样很重要。
其获得的硬度和韧性水平与不含SiC的材料相同。然而，当存在SiC时，除了其高温蠕变性能更好之外，与不存在SiC时相比，还最多可使其在1100-1300℃下的极限强度提高2倍。
MoSi2构成所述材料的余下部分。根据一个优选的实施方案，MoSi2与一种或多种合金元素V，Ti，Zr，Ta或Al共存。其中所述合金元素总量约为MoSi2的0-3％(原子比)。
下面，作为一个实施例，给出了根据本发明的材料的一种配比。
70％(体积)MoSi2(氧含量0.36％(重量)；2.0m3/g)
20％(体积)ZrO2
10％(体积)MoB
1％(重量)C
烧结后，根据本发明的复合材料将含有MoS2，MoB，Mo5Si3，ZrO2，SiC以及，可能地，ZrSiO4。
通过在1700℃，无压条件下进行烧结，可获得密度为6.32g/cm2的材料。该材料的室温硬度RT-Hv为9.60+/-0.15GPa，室温韧性RT-K1c为7.69+/-0.32MPam1/2。
通过使用所谓的热等静压方法，硬度可以进一步提高。
前面已对各种不同的实施方案进行了描述。但是，显然，本领域的专业人员可以在所述混合物中的各种材料的指定范围内对所述材料进行改变。
因此，应该认为本发明不限于上述各实施方案的限制，而是可以在附后的专利权利要求范围内进行改变。

Claims (9)

1.在室温和高温下均具有高强度的硅化钼材料，是一种由包括MoSi2和ZrO2的混合物制成的复合材料，其特征在于：所述混合物还包括5-30％(体积)ZrO2和5-15％(体积)MoB，以及，以SiO2形式存在于MoSi2粒子上或者其中的氧的含量低于0.5％(重量)。
2.根据权利要求1的硅化钼材料，其特征在于：所述混合物包含8-12％(体积)MoB。
3.根据权利要求1或2的硅化钼材料，其特征在于：所述混合物包含10-30％(体积)ZrO2。
4.根据权利要求1，2或3的硅化钼材料，其特征在于：ZrO2是未稳定化的。
5.根据权利要求1，2，3或4的硅化钼材料，其特征在于：所述混合物包含3-35％(体积)SiC。
6.根据权利要求5的硅化钼材料，其特征在于：所述复合材料包含3-10％(体积)SiC。
7.根据权利要求5或6的硅化钼材料，其特征在于：通过在烧结之前将碳粉末添加至所述混合物中并使SiC在烧结期间原位形成，得到所述SiC。
8.根据权利要求5，6或7的硅化钼材料，其特征在于：所述混合物包含0-3％(重量)的碳粉末。
9.根据前述权利要求中之任一项的硅化钼材料，其特征在于：MoSi2与一种或多种合金元素V，Ti，Zr，Ta或Al一起构成所述材料的余下部分，其中，所述合金元素的总量约占MoSi2量的0-3％(原子)。
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