碳化硅-氮化硅复相梯度材料的制备制作方法

江东亮, 佘继红, 谭寿洪

1992年8月26日

1991年2月8日

1991年2月8日

中国科学院上海硅酸盐研究所

C04B35/64GK1063859SQ9110732

氮化硅 复相 碳化硅 梯度 制备 材料

1.一种制备高性能碳化硅-氮化硅复相梯度材料的方法，其特征在于(1)SiC粉未加入少量Ai2O3(1-3wt%)或少量Ai2O3(1-3wt%)和2wt%C经干压或干压、冷等静压(2T/cm2)成型后，用特殊玻璃包封(SiO2＞90%)后，在100-200MPa，Ar气氛下，温度为1500-1900℃，保温30-60分钟HIP方法烧结；(2)然后将上述烧结材料在通N2气氛下HIP条件下(压力为100-200MPa)，温度为1500℃-2000℃)后处理

本发明是有关用特殊高温等静压(HIP)方法制备高性能碳化硅-氮化硅(SiC-Si3N4)复相材料尤其是复相梯度材料制造方法，属于无机非金属材料中的高温结构材料领域近几年来，非氧化陶瓷(SiC、Si3N4)由于其性能优于氧化物面受到广泛重视，无论在强度或韧性方面均有很大突破，已被用作耐高温耐磨材料，特别是作为发动机部件、热交换器、燃气轮机叶片的应用有广泛的前景然而，SiC、Si3N4均属共价键结合的材料，很难用常规办法烧结此外，单纯SiC烧结体强度和韧性均不高，Si3N4则往往需要先合成粉未，再用稀土氧化物作为添加剂，用无压烧结或热压方法烧结价格昂贵，而且热压不宜制成异形或大制品最近有人努力采用Si3N4-SiC混合粉未再用高温等静压(HIP)技术来制备Si3N4-SiC复合材料，例如P.Greil等人发表的Sintering and HIPPing of Siliconnitride-Silicon Carbidc Composite materials(Ceram.Inter，1987，13(1)P19-25)，即使采用y2O3和Al2O3作为烧结添加物，使SiC和Si3N4混合粉未先在1850℃烧结，然后再高温等静压，在2000℃，MPaN2压下制备Si3N4-SiC、复相材料，对Si3N4性能的改善无明显效果又如，U.S.P，454，1975(sep.17，1985)报导制备高强度SiC材料先用无压烧结方法然后HIP工艺制得的材料其室温强度亦只有590MPa综上所述，现有的制备SiC-Si3N4复相材料均是采用先无压烧结然后再热等静法来制备的存在价格贵、工艺复杂、烧结不佳等缺点本发明的目的在于提供一种新的工艺技术来制备SiC-Si3N4复相材料，尤其适合于制备SiC-Si3N4复相梯度材料，为发动机材料和其它工程的应用提供了一种新型材料以及与之匹配的特殊工艺技术本发明采用SiC粉未和少量氧化物添加物(1-3wt%Al2O3混合物，或SiC粉末和1-3wt%Al2O3和2wt%C的混合物，经干压或干压、冷等静压后，用特殊玻璃进行包封，在HIP条件下，先于1500～1900℃，100-200MPa保温30-60分钟，烧结到理论密度93%以上，然后再在高N2气氛下于100～200MPa和1500-2000℃条件下后处理，经后处理即可获得SiC-Si3N4复相材料，尤其是SiC-Si3N4复相梯度材料下面结合实施例进一步加以说明实施例1，采用粒径为0.8μ的SiC粉末，添加3wt%Al2O3粉球磨混合，干压成型然后再用冷静压成型(压力为2T/Cm2)，用特殊玻璃(SiO2＞90%)包封，在200MPa Ar气氛下HIP方法烧结，温度为1800℃，保温60分钟，获得密度为理论密度95%以上的坯体，再经HIP后处理后处理的条件是气氛为N2，温度1850℃，压力200MPa，获得SiC-Si3N4复相材料其性能列于表1中(编号1)为便于比较，也列出在同样条件Ar气条件下后处理(编号2)，其强度只有680MPa，而用N2气氛后处理强度平均可达900MPa，最高可达977MPa表1 实施例2，起始颗粒为0.8μSic，添加3wt%Al2O3和2wt%C，先混和，其余烧结，工艺条件均同实施例1，经N2气氛后处理后密度为3.17g/cm3(表1中编号3试样)虽然本发明的原始材料是3iC和少量氧化物或碳与氧化物，但因后处理是在N2气氛的HIP中进行的，所以在表层形成SiC-Si3N4梯度复相材料，含量从表层到内层逐渐减少，相反C含量逐渐增加，这说明表层的激非Sii或Si转化为Si3N4俄歇分布图和X-衍射谱均证实这点，从表层到内层8μm深的范围内，构成SiC-Si3N4复相梯度材料，从而使本发明提供的材料同时具备SiC和Si3N4两种材料的特性本发明与现有技术相比较其优点有1、本发明直接采用廉价易得SiC原料来制备SiC-Si3N4复相材料，尤其是SiC-Si3N4复合梯度材料，其它现有这类复合材料均用Si3N4粉加SiC粉还需少量昂贵的稀土氧化物，原料价格比只是现有的1/42、由本发明提供的工艺技术制备的材料性能优于其它发明或文献报导的性能，例如表2所示表2工艺区别 性能 密度本发明 HIP+HIP后处理 900MPa 3.17U.S.P.4541975 无压烧结+HIP 500MPa 3.15本发明提供的制备复相材料方法也适合其它碳化物与氮化物的复相材料的制备