本發(fā)明涉及材料制備，具體涉及一種纖維增強(qiáng)型金屬陶瓷材料的制備方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，材料的性能和質(zhì)量往往決定了產(chǎn)品的性能和可靠性，隨著科技的不斷進(jìn)步，各種新型材料層出不窮，材料制備技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展，傳統(tǒng)的材料制備方法雖然在一定程度上能夠滿足生產(chǎn)和生活的需求，但在面對(duì)日益復(fù)雜和多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，逐漸顯露出一些局限性，在許多領(lǐng)域中，對(duì)材料的強(qiáng)度、硬度、韌性、耐高溫性、耐腐蝕性等性能要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的單一材料往往難以同時(shí)具備這些優(yōu)異的綜合性能，為了克服這一問(wèn)題，復(fù)合材料的研究和制備逐漸成為材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)，復(fù)合材料通過(guò)將兩種或多種不同性質(zhì)的材料組合在一起，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，從而獲得比單一材料更優(yōu)越的性能。

2、例如，在航空材料領(lǐng)域，航空工業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)的高端領(lǐng)域，對(duì)材料的性能要求極為苛刻，航空飛行器在飛行過(guò)程中需要承受高溫、高壓、高應(yīng)力、高腐蝕等極端惡劣的環(huán)境條件，因此，航空材料必須具備卓越的性能才能確保飛行器的安全、可靠和高效運(yùn)行，在強(qiáng)度方面，航空材料需要具有足夠的強(qiáng)度來(lái)承受飛行過(guò)程中的各種載荷，包括機(jī)身結(jié)構(gòu)的自重、空氣動(dòng)力載荷、發(fā)動(dòng)機(jī)推力等，同時(shí)，材料還需要具備良好的韌性，以防止在受到?jīng)_擊或振動(dòng)時(shí)發(fā)生斷裂，耐高溫性是航空材料的另一個(gè)關(guān)鍵性能要求，在飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)部位以及高速飛行時(shí)與空氣摩擦產(chǎn)生的高溫區(qū)域，材料需要能夠在高溫下保持其力學(xué)性能和物理化學(xué)穩(wěn)定性，不發(fā)生軟化、變形或氧化等現(xiàn)象。此外，航空材料還需要具備良好的耐腐蝕性，以抵御大氣中的氧氣、水分、污染物以及燃料等的腐蝕作用，同時(shí)，為了滿足航空飛行器輕量化的需求，材料還應(yīng)具有較低的密度，然而，要同時(shí)滿足這些眾多且嚴(yán)格的性能要求，傳統(tǒng)的材料制備方法和現(xiàn)有材料體系面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

3、金屬陶瓷作為一種常用的航空材料，其金屬陶瓷基體的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)材料的性能有著重要影響，然而，現(xiàn)有的制備工藝難以精確控制金屬陶瓷基體中各相的分布和晶粒尺寸，導(dǎo)致材料微觀結(jié)構(gòu)不均勻，這會(huì)影響材料的力學(xué)性能、熱性能和化學(xué)性能的穩(wěn)定性和一致性，例如，不均勻的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致材料在高溫下的強(qiáng)度和抗氧化性能下降，在受到外力作用時(shí)容易發(fā)生局部變形或斷裂。

4、鑒于此，本領(lǐng)域需要一種纖維增強(qiáng)型金屬陶瓷材料的制備方法來(lái)解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，即解決現(xiàn)有的金屬陶瓷材料其制備工藝難以精確控制金屬陶瓷基體中各相的分布和晶粒尺寸，導(dǎo)致材料微觀結(jié)構(gòu)不均勻從而影響材料的綜合性能的問(wèn)題。

2、本發(fā)明提供的一種纖維增強(qiáng)型金屬陶瓷材料的制備方法，所述制備方法包括：

3、s1：對(duì)碳化硅纖維進(jìn)行預(yù)處理并最終得到碳化硅纖維顆粒；

4、s2：將鈦金屬粉末和碳化硅陶瓷粉末按照預(yù)定比例混合和研磨得到金屬陶瓷粉末；

5、s3：將所述金屬陶瓷粉末和所述碳化硅纖維顆粒放入超聲波混合器中進(jìn)行混合；

6、s4：向步驟s3得到的混合物中加入分散劑和粘結(jié)劑再次進(jìn)行混合和研磨；

7、s5：將步驟s4得到的混合物依次進(jìn)行冷等靜壓成型和熱壓成型，其中，在熱壓成型過(guò)程中，采用氬氣進(jìn)行氣氛保護(hù)；

8、s6：將熱壓成型后的坯體放入管式爐中并在氬氣氣氛下進(jìn)行低溫預(yù)燒結(jié)；

9、s7：將預(yù)燒結(jié)后的坯體放入熱等靜壓燒結(jié)爐中并在氬氣氣氛下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，然后在燒結(jié)爐中緩慢冷卻至室溫；

10、s8：將冷卻后的材料進(jìn)行切割和表面拋光處理，然后采用離子注入方式在材料表面注入氮離子后進(jìn)行退火處理，最終得到纖維增強(qiáng)型金屬陶瓷材料。

11、在某些優(yōu)選的實(shí)施方式中，步驟s1具體包括：

12、s11：將碳化硅纖維置于氫氟酸溶液中浸泡；

13、s12：將浸泡結(jié)束后的碳化硅纖維用去離子水徹底沖洗干凈，然后進(jìn)行烘干處理；

14、s13：將烘干處理后的碳化硅纖維置于化學(xué)氣相沉積爐中，以三氯甲基硅烷和氫氣作為反應(yīng)氣體在高溫下進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，以在碳化硅纖維表面沉積碳化硅涂層；

15、s14：按照預(yù)定比例配置含有正硅酸乙酯、乙醇和水的溶膠溶液，將化學(xué)氣相沉積后的碳化硅纖維放入溶膠溶液中浸泡，然后進(jìn)行干燥和熱處理，以使溶膠轉(zhuǎn)化為二氧化硅涂層，其中，在步驟s14中，浸泡的步驟至熱處理的步驟重復(fù)2-4次；

16、s15：將涂覆有碳化硅涂層和二氧化硅涂層的碳化硅纖維放入管式爐中，在氬氣氣氛下進(jìn)行高溫退火處理；

17、s16：將高溫退火處理后的碳化硅纖維研磨成碳化硅纖維顆粒。

18、在某些優(yōu)選的實(shí)施方式中，在步驟s11中，氫氟酸溶液的濃度為8-12%，浸泡時(shí)間為25-35分鐘；

19、在步驟s12中，烘干溫度為75-90℃，烘干時(shí)間為1.8-2.2小時(shí)；

20、在步驟s13中，高溫處理的溫度為1000-1300℃，三氯甲基硅烷和氫氣的氣體流量比為1:(8.5-12)，化學(xué)氣相沉積時(shí)間為1.5-3小時(shí)；

21、在步驟s14中，正硅酸乙酯、乙醇和水的摩爾比為1:(8-12):(4-6)，浸泡的時(shí)間為0.5-1.5小時(shí)，在空氣中干燥的時(shí)間為10-13小時(shí)，熱處理的溫度為580-680℃；

22、在步驟s15中，高溫退火的溫度為950-1050℃，保溫時(shí)間為1.8-2.3小時(shí)。

23、在某些優(yōu)選的實(shí)施方式中，步驟s2具體包括：

24、s21：將鈦金屬粉末和碳化硅陶瓷粉末按照40:60的質(zhì)量比例混合；

25、s22：將混合后的粉末放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，球磨時(shí)間為11-12小時(shí)，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為280-330r/min，球料比為(4.7-5.5):1。

26、在某些優(yōu)選的實(shí)施方式中，在步驟s3中，所述金屬陶瓷粉末的體積分?jǐn)?shù)為80-82%，所述碳化硅纖維顆粒的體積分?jǐn)?shù)為18-20%，所述金屬陶瓷粉末和所述碳化硅纖維顆粒在所述超聲波混合器中的混合時(shí)間為1-1.2小時(shí)，超聲波功率為1000-1200w。

27、在某些優(yōu)選的實(shí)施方式中，在步驟s4中，步驟s3得到的混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.5-97%，分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1-1.5%，粘結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2-3%，其中，分散劑為聚乙烯醇，粘接劑為酚醛樹脂；

28、步驟s4具體包括：

29、s41：向步驟s3得到的混合物中加入分散劑和粘結(jié)劑；

30、s42：將步驟s41得到的混合物放入球磨機(jī)中再次球磨6-7小時(shí)，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為200-250r/min，球料比為3:1。

31、在某些優(yōu)選的實(shí)施方式中，在步驟s5中，采用冷等靜壓成型機(jī)對(duì)步驟s4得到的混合物進(jìn)行冷等靜壓成型，其中，所述冷等靜壓成型機(jī)的設(shè)定成型壓力為180-210mpa，保壓時(shí)間為5-7分鐘；并且/或者，

32、在步驟s5中，采用熱壓成型機(jī)對(duì)冷等靜壓成型后的材料進(jìn)行熱壓成型，其中，所述熱壓成型機(jī)的熱壓溫度為1500-1600℃，熱壓壓力為50-55mpa，保溫時(shí)間為1.5-2小時(shí)。

33、在某些優(yōu)選的實(shí)施方式中，在步驟s6中，所述管式爐的預(yù)燒結(jié)溫度為800-900℃，保溫時(shí)間為2-2.5小時(shí)；并且/或者，

34、在步驟s7中，所述熱等靜壓燒結(jié)爐的燒結(jié)溫度為1800-2000℃，壓力為100-120mpa，保溫時(shí)間為4-5小時(shí)。

35、在某些優(yōu)選的實(shí)施方式中，在所述管式爐和所述熱等靜壓燒結(jié)爐中均設(shè)置有磁場(chǎng)發(fā)生裝置，在坯體預(yù)燒結(jié)和高溫?zé)Y(jié)的過(guò)程中，所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5-2特斯拉。

36、在某些優(yōu)選的實(shí)施方式中，在步驟s8中，所述離子注入的能量為100-110kev，劑量為1×1017ions/cm2。

37、本發(fā)明具有以下有益效果：

38、本發(fā)明在纖維處理與增強(qiáng)效果方面，對(duì)碳化硅纖維進(jìn)行預(yù)處理，有效去除其表面雜質(zhì)和氧化層，為后續(xù)涂層附著及與金屬陶瓷基體良好結(jié)合奠定基礎(chǔ)，提高了纖維與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，更好地發(fā)揮纖維增強(qiáng)作用，提升材料整體強(qiáng)度和韌性；將纖維處理成顆粒狀，增加了與金屬陶瓷粉末的接觸面積，改善了分散均勻性，減少團(tuán)聚和局部應(yīng)力集中，使材料性能更穩(wěn)定可靠；通過(guò)特定工藝將金屬陶瓷粉末與碳化硅纖維顆粒充分混合并緊密結(jié)合，纖維增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)能有效傳遞載荷，阻止裂紋擴(kuò)展，吸收分散能量，大幅提升材料斷裂韌性。在材料制備工藝與微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，超聲波混合器使金屬陶瓷粉末和碳化硅纖維顆粒微觀尺度上均勻混合，確保材料宏觀性能一致；冷等靜壓成型與熱壓成型相結(jié)合，冷等靜壓使物料均勻填充模具減少孔隙缺陷，熱壓成型在氬氣氣氛保護(hù)下，高溫高壓使材料致密化，顆粒結(jié)合緊密，提升密度、強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)均勻性，全面改善力學(xué)和物理性能；低溫預(yù)燒結(jié)和高溫?zé)Y(jié)分步進(jìn)行，去除坯體有機(jī)物和水分，低溫預(yù)燒結(jié)形成結(jié)構(gòu)框架利于高溫?zé)Y(jié)致密化和性能提升，熱等靜壓燒結(jié)爐中高溫?zé)Y(jié)在氬氣氣氛下，高壓使顆粒充分?jǐn)U散融合，消除孔隙缺陷，使組織結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定，顯著提高致密度、強(qiáng)度、硬度、耐磨性等性能指標(biāo)；后處理的切割和表面拋光使材料尺寸精確、表面光滑，提高外觀質(zhì)量和尺寸精度，減少摩擦阻力和磨損，延長(zhǎng)使用壽命；離子注入技術(shù)在材料表面注入氮離子改變表面化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，提高表面硬度、耐磨性和耐腐蝕性，退火處理消除注入缺陷，使表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，增強(qiáng)表面性能，使材料在復(fù)雜航空環(huán)境中抗侵蝕磨損，保證可靠性和穩(wěn)定性。通過(guò)上述整體的制備工藝，本發(fā)明制備的纖維增強(qiáng)型金屬陶瓷材料在強(qiáng)度、韌性、硬度、耐高溫性、耐磨性、耐腐蝕性等方面顯著提高，綜合性能優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)制備的材料能更好滿足航空領(lǐng)域高性能要求，適用于在航空領(lǐng)域的多種航空零部件，為航空工業(yè)提供有力支持。