專利名稱：氧化鎂-鎳系梯度功能材料的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MgO-Nl系梯度功能材料的制造方法。
隨著航空航天以及原子能等現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求也越來越高，象航天飛機(jī)燃燒室內(nèi)壁以及機(jī)體表面的材料，它們一側(cè)暴露在2000K左右的高溫燃燒氣體下，而另一側(cè)則處于液氫和液氦的冷卻中，在使用過程中，在材料內(nèi)部產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力，傳統(tǒng)陶瓷材料、金屬材料以及兩者的復(fù)合材料均不能滿足要求。因此從八十年代中期開始，國際上開始研究一種新型金屬-陶瓷復(fù)合材料-梯度功能材料。這種材料在其高溫側(cè)使用高性能陶瓷材料，在低溫側(cè)則使用耐高溫合金，使其中間的組成與性能從陶瓷至金屬呈連續(xù)變化而達(dá)到使材料內(nèi)部的熱應(yīng)力得到緩和的目的，進(jìn)而使材料具有一定的耐熱沖擊特性和隔熱性能。
由于金屬與陶瓷的物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)(如熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、彈性模量、泊松比、強(qiáng)度、晶格常數(shù)、潤(rùn)濕性等)相差較大，因此，這種材料在制造及使用過程中，往往出現(xiàn)翹曲，金屬與陶瓷分層或者剝離，而導(dǎo)致材料破壞。為了保持金屬與陶瓷在物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)上具有良好的匹配性，并使之制備的梯度材料具有良好的熱應(yīng)力緩和性能，耐熱沖擊特性、隔熱性能以及一定的使用壽命，材料體系的選擇以及制造工藝的研究是其關(guān)鍵。
國際上目前用不同制造方法(如CVD、PVD、粉末鋪層法、自蔓延燃燒合成法、等離子熔射法)針對(duì)不同金屬-陶瓷梯度功能材料體系(如C-SiC、TiC-SiC、TiB2-Cu、ZrO2-Ni等)進(jìn)行的熱應(yīng)力緩和設(shè)計(jì)及制備，但是對(duì)MgO-Ni系梯度功能材料的研究還未見報(bào)道。
本發(fā)明選擇MgO-Ni作為研究體系，因?yàn)镸gO是一種性能良好的高溫陶瓷，它具有高溫?zé)岱€(wěn)定性好，耐高溫堿氣氛腐蝕及高溫電絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，并且MgO與Ni兩者的熱膨脹性能較匹配，燒結(jié)條件大體一致，因此MgO-Ni系梯度功能材料有可能用于磁流體發(fā)電機(jī)(MHD)通道內(nèi)壁材料。
本發(fā)明的MgO-Ni梯度功能材料的制造方法是首先取MgO與Ni的組成分布其梯度體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律為C＝( (I)/(d) )P，其中x是任一梯度層位置座標(biāo)，d是各梯度層的總厚度，P是組成分布形狀指數(shù)，然后，根據(jù)所設(shè)計(jì)的組成分布填充結(jié)構(gòu)，精確計(jì)算和稱重各梯度層填充量，進(jìn)行精細(xì)填充，制成試樣塊;然后將該試樣塊在80～120MPa靜水壓條件下處理，再在真空度大于1×10-3Pa，溫度為1280～1340℃下燒結(jié)1.5-2.5小時(shí)，或?qū)⒃嚇訅K在28～32MPa壓力，1280～1320℃溫度，熱壓燒結(jié)1小時(shí)左右，然后降溫至1000～800℃左右降壓，而制得MgO-Ni樣度材料。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的原理及方法。


圖1是不同分布指數(shù)P下的熱應(yīng)力分布。
圖2是不同分布指數(shù)P與最大熱應(yīng)力中心位置關(guān)系。
圖3是P＝1.0的MgO/Ni系梯度材料的實(shí)際填充4是MgO/Ni系梯度材料∮30的熱奪燒結(jié)樣照片。
圖5是MgO/Ni系梯度材料∮24的真空燒結(jié)樣照片。
本發(fā)明對(duì)MgO-Ni體系，選擇六種不同組成含量比的MgO-Ni復(fù)合材料，在橡膠包套內(nèi)、100MPa靜水壓處理后，于真空度大于1.0×10-3Pa、1300℃條件下進(jìn)行100分鐘燒結(jié)，將燒結(jié)體制成標(biāo)準(zhǔn)試樣后，測(cè)定其物性參數(shù)(相對(duì)密度、楊氏模量、彎曲強(qiáng)度、泊松比、熱膨脹率)，如表1。根據(jù)物性參數(shù)測(cè)定結(jié)果，對(duì)MgO-Ni系梯度功能材料進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。計(jì)算模型取實(shí)際制備的圓盤狀樣品，厚度6mm、直徑30mm，組成分割15層，樣品從1000℃冷至室溫，模型的物性參數(shù)取為實(shí)測(cè)值，中間梯度層的物性參數(shù)通過實(shí)測(cè)值插值求得。梯度層的體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律取為冪函數(shù)形式C＝(x/d)P，d是各梯度層的總厚度，x是任一梯度層的位置座標(biāo)，p是組成分布形狀指數(shù)，對(duì)不同的組成分布指數(shù)，用有限元方法計(jì)算樣品中的熱應(yīng)力。
計(jì)算時(shí)，P的取值從0.6～2.8變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)梯度功能材料試樣，σZZ、σrr、σoo三個(gè)應(yīng)力分量，在P＝1.8附近時(shí)，呈現(xiàn)最小，熱應(yīng)力緩和效果最明顯，其中σrr緩和70%(如圖1)。但是從不同P值下的最大熱應(yīng)力發(fā)生位置及其對(duì)應(yīng)的FGM結(jié)構(gòu)梯度層(如圖2)關(guān)系知，盡管P＝1.8時(shí)，σrr、σoo取得最小，但該值為40MPa已十分接近MgO含量為40vol%的梯度層的許可強(qiáng)度42MPa，當(dāng)P＝1.0時(shí)，最大應(yīng)力中心位于純金屬Ni層中，此應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于純金屬Ni的實(shí)測(cè)強(qiáng)度值163MPa，足以承受該應(yīng)力。在綜合考慮熱應(yīng)力最小與其發(fā)生部位的許可強(qiáng)度值的基礎(chǔ)上，合理調(diào)節(jié)P值，使最大應(yīng)力σrr、σoo所發(fā)生的梯度層處于具有最高拉伸強(qiáng)度的純金屬層，在組份優(yōu)化之后，進(jìn)一步考慮最大熱應(yīng)力發(fā)生位置以及純陶瓷側(cè)所能承受的局部拉應(yīng)力，最后確定梯度功能材料的組成結(jié)構(gòu)。這是控制梯度材料在制備過程中，不發(fā)生破壞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，根據(jù)我們得到的這一準(zhǔn)則，取P＝1作為設(shè)計(jì)結(jié)果。
MgO-Ni系梯度功能材料按圖3所示的組成分布，采用真空燒結(jié)及熱壓燒結(jié)兩種方法制備。實(shí)際真空燒結(jié)梯度材料時(shí)，坯體在升溫、燒結(jié)及降溫過程都處于無外力約束狀態(tài)。因此，混合粉料的顆粒度、外加劑、成型變形及燒結(jié)收縮等進(jìn)行綜合調(diào)整，對(duì)于制備無缺陷樣品尤為重要。
本發(fā)明在制備MgO-Ni系梯度功能材料時(shí)，MgO是用MgO(OH)2分解得到，其粒度為0.3μm，并摻入了0.1～0.5%Fe2O3絮狀微粉，Ni原料是羰基Ni粉，粒度為3～7μm，為了克服用0.3μm的絮狀粉與Ni粉混合時(shí)，由于各樣之間的成型密度的較大差別，加上純陶瓷側(cè)最終生坯密度相對(duì)較低，而導(dǎo)致生坯在陶瓷側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力裂紋以及燒結(jié)總收縮不協(xié)調(diào)等問題，實(shí)驗(yàn)中摻入10～30wt%的2～10μm的大顆粒MgO粉末，來增加MgO成型密度和減少燒結(jié)中各層之間產(chǎn)生的線收縮之差。
本發(fā)明用粉末鋪層法填充梯度功能材料時(shí)，根據(jù)組成分布填充結(jié)構(gòu)和樣品尺寸，精確計(jì)算和稱重各梯度層的填充量，進(jìn)行精細(xì)填充。真空燒結(jié)時(shí)，填充樣品預(yù)先在80～120MPa靜水壓條件下處理，再在1280～1340℃、1.5～2.5小時(shí)，1×10-3Pa條件下進(jìn)行燒結(jié)。熱壓燒結(jié)在1280～1320℃、28MPa、1小時(shí)條件下進(jìn)行，卸壓溫度在1000～800℃之間，兩種方法分別得到尺寸為直徑∮＝24mm、厚6mm，以直徑為30mm、厚6mm的完整無宏觀缺陷的梯度功能材料試樣(圖4)。
表1MgO/Ni系復(fù)合燒結(jié)體的物性參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種由氧化鎂-鎳系梯度功能材料的制造方法，其特征在于a、MgO與Ni的組成分布其梯度體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律為C=(x/d)p，其中x是任一梯度層位置座標(biāo)，d是各梯度層的總厚度，p是組成分布形狀指數(shù)；b、然后，根據(jù)所設(shè)計(jì)的組成分布填充結(jié)構(gòu)，精確計(jì)算和稱重各梯度層填充量，進(jìn)行精細(xì)填充，制成試樣塊；c、然后，將試樣塊在80～120MPa靜水壓條件下處理，再在真空度大于1×10-3Pa，溫度為1280～1340℃下燒結(jié)1.5～2.5小時(shí)，或?qū)⒃嚇訅K在28～32MPa壓力，1280～1320℃溫度，熱壓燒結(jié)1小時(shí)左右，然后降溫至1000～800℃左右卸壓，而制得MgO-Ni梯度功能材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)P＝1.8時(shí)，可獲得以有限元法計(jì)算的材料熱應(yīng)力緩和70%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)P＝1時(shí)，該材料的最大熱應(yīng)力發(fā)生位置及純陶瓷側(cè)受局部拉應(yīng)力等綜合性能為最佳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的方法，其特征在于在含0.1～0.5wt%的Fe2O3的0.3μm的MgO粉料中摻入10～30wt%的粒度為2～10μm的大顆粒MgO。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型的氧化鎂-鎳系的梯度功能材料的制造方法。在材料中當(dāng)MgO與Ni的組成分布指數(shù)P＝1.8時(shí)，可獲得由有限元法模擬的材料的最大熱應(yīng)力緩和值70％。P＝1.0為最佳組成指數(shù)，該指數(shù)可獲得良好綜合性能。進(jìn)一步調(diào)節(jié)原料粒度，添加劑與燒結(jié)特性以及成型收縮之間的平衡，用真空和熱壓燒結(jié)方法可制得宏觀無缺陷的MgO-Ni系梯度功能材料。
文檔編號(hào)C22C19/03GK1092394SQ93102969
公開日1994年9月21日 申請(qǐng)日期1993年3月18日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月18日
發(fā)明者張聯(lián)盟, 唐新峰, 袁潤(rùn)章 申請(qǐng)人:武漢工業(yè)大學(xué)