專利名稱：一種制備Si-TaSi₂共晶自生復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料制備領(lǐng)域，具體是一種制備Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
難熔金屬硅化物TaSi2具有高熔點(Tm = 2040° C)、良好的抗氧化性、較低的功函數(shù)(cp=0.59eV)，且與硅有很好的結(jié)合強度，因此Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料被認(rèn)為是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型冷場致發(fā)射材料。目前，常用的制備所述Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料的方法有以下幾種
I、Czochralski (CZ)法。 文獻(xiàn) “D. M. Ditchek, J. Hefter, T. R. Middleton.Microstructure of Czochralskl grown Si-TaSi2 eutectic composites[J]. Journal ofCrystal growth, 102 (1990) 401-412. ”[1]采用 CZ 定向凝固技術(shù)，制備出了 Si-TaSi2 棒狀共晶自生復(fù)合材料。CZ法由于籽晶和坩堝同時旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的非穩(wěn)態(tài)溫度場易導(dǎo)致溶質(zhì)沿徑向分布不均，極大影響了材料的場發(fā)射性能。2、電子束懸浮區(qū)熔法。文獻(xiàn)“C. J. Cui，J. Zhang, Z. ff. Jia, H. J. Su, L. Liu, H. Z. Fu.Microstructure and field emission properties of the Si-TaSi2 eutectic in situcomposites by electron beam floating zone melting technique[J]. Journal ofCrystal growth, 310 (2008) 71-77. ” [2]提出了采用無坩堝的電子束區(qū)熔凝固技術(shù)制備Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料，提高了溫度梯度(300 500K/cm)，并獲得了組織較為細(xì)化的復(fù)合材料。用該技術(shù)制備Si-TaSi2共晶時，由于熔體的溫度及抽拉速率不能獨立、精度的控制，因此難以對凝固組織進(jìn)行優(yōu)化和定量設(shè)計，不利于進(jìn)行該合金的凝固理論研究。另外電子束對熔區(qū)的轟擊和攪拌也會產(chǎn)生較強的對流，同樣易導(dǎo)致組織和成分不均勻。3、傳統(tǒng)的 Bridgman 法。文獻(xiàn)“N. J. Helbren, S. E. R. Hiscocks. Silicon-andgermanium-based eutectics [J]. Journal of Materials Science, 8 (1973) 1744-1750，，[3]提出了用Bridgman定向凝固技術(shù)制備Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料。由于該方法采用感應(yīng)線圈加熱和自然冷卻，因此溫度梯度低〈lOOK/cm，凝固速率低〈10 μ m/s，制備的纖維組織粗大且規(guī)整性較差，極大影響了材料的場發(fā)射性能。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的制備Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料組織成分不均、組織粗大，定向生長差的問題，并進(jìn)一步提高該材料的場發(fā)射性能，本發(fā)明提出了一種制備Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料的方法。本發(fā)明包括以下步驟步驟一，制備Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材以高純的Si和高純的Ta作為原材料，按共晶成分配制，得到母材原料，所述母材原料中Si :Ta的原子百分比為99 I ;將母材原料裝入石英坩堝中并置于熔煉爐內(nèi)，將熔煉爐抽真空至真空度低于2X10_4Pa并保持該真空度；將熔煉爐加熱，加熱中以30°C /min的速度逐步將熔煉爐加熱至1450°C，使母材原料完全熔化后保溫30min ;關(guān)閉電源并用冷卻水將熔煉爐內(nèi)溫度冷卻至室溫，得到Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材；步驟二，填裝試棒將得到的Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材切割成試棒；將得到的試棒打磨后置于酒精溶液中并采用超聲波清洗30min ;將清洗干凈的試棒放進(jìn)剛玉管中；運行抽拉系統(tǒng),使不銹鋼接頭完全浸沒到結(jié)晶器Ga-In-Sn冷卻劑液面以下；將氧化鋁隔熱板放入爐內(nèi)；關(guān)閉爐腔，并安裝W/Re熱電偶；步驟三，Si-TaSi2共晶合金試棒的定向凝固Si-TaSi2共晶合金試棒的定向凝固的具體過程是將定向凝固爐腔室抽真空至真空度為6. 6X10_4Pa并保持該真空度；向凝固爐腔 室內(nèi)充入Ar氣；依次打開循環(huán)冷卻水、熱電偶后，打開凝固爐中的鎢加熱體電源，以15°C /min的速度加熱凝固爐腔室，同時也會對Si-TaSi2共晶合金試棒和鉭加熱體加熱；當(dāng)鉭加熱體的溫度到達(dá)1000°C時，接通鉭加熱體電源，對該鉭加熱體預(yù)熱IOmin后，通過鉭加熱體對凝固爐腔室加熱至1500°C并保溫30min ;所述鉭加熱體對凝固爐腔室加熱的升溫速率為IO0C /min,使Si-TaSi2共晶合金試棒完全熔化；啟動抽拉機構(gòu)，使Si-TaSi2共晶合金試棒以I 200 μ m/s的速率從上至下移動并進(jìn)入Ga-In-Sn液態(tài)金屬中，實現(xiàn)材料的連續(xù)定向凝固。本發(fā)明采用雙區(qū)電阻加熱，大鉭加熱體分別采用鎢、鉭加熱元件，提高熔體的溫度梯度；采用多層金屬屏蔽保溫，抑制徑向散熱，并通過紅外熱電偶控溫實現(xiàn)對熔區(qū)溫度的精確控制；采用氧化鋁隔熱板將溫度場分為熱區(qū)和冷區(qū)，形成嚴(yán)格的單向熱流。當(dāng)試樣完全熔化后，以一定的速度將試樣抽拉到Ga-In-Sn液態(tài)金屬中強制冷卻，從而獲得組織超細(xì)化，TaSi2纖維分布均勻的Si-TaSi2共晶合金。本發(fā)明中，熔體溫度保持在1500°C，溫度梯度為210K/cm ；試樣抽拉速度對Si-TaSi2共晶微觀組織有重要影響，提高抽拉掃描速度能夠減小棒狀共晶間距，抽拉速率確定為I 200 μ m/S。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點I)與CZ法和傳統(tǒng)Bridgman相比具有高的溫度梯度(210K/cm):本發(fā)明采用雙區(qū)電阻加熱，鎢加熱體整體加熱試樣，鉭加熱體在凝固界面前沿對熔體進(jìn)行局部強化加熱，同時在隔熱板下方采用液態(tài)金屬對凝固試樣進(jìn)行強制冷卻，從而獲得高的溫度梯度；高的溫度梯度有助于提高獲得Si-TaSi2共晶組織的凝固速率，實現(xiàn)組織特征尺度和相體積分?jǐn)?shù)的大凝固速率范圍調(diào)節(jié)，從而獲得具有不同性能和用途的共晶復(fù)合材料并有利于開展該共晶合金的凝固理論研究。本發(fā)明使獲得規(guī)則Si-TaSi2共晶組織的凝固速率提高到200 μ m/s，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)Bridgman和CZ法獲得Si-TaSi2共晶凝固組織的最大凝固速率數(shù)值出[3]和55ym/s[1])0附圖6(a)表明本發(fā)明制備的Si-TaSi2共晶組織呈現(xiàn)良好的定向排列。2)與電子束制備Si-TaSi2共晶合金相比，本發(fā)明采用電阻加熱消除了強制對流對組織的影響，能夠獲得更加均勻的Si-TaSi2共晶組織；采用多層金屬屏蔽保溫、隔熱板溫度分區(qū)以及液態(tài)金屬強制冷卻消除了凝固過程中的側(cè)向散熱，能夠形成嚴(yán)格的單向熱流，有助于獲得定向效果良好的凝固組織；能夠獲得較大尺寸的試樣，如圖3 ;能夠?qū)崿F(xiàn)對熔體溫度和凝固速度進(jìn)行獨立的精確控制，從而獲得凝固參數(shù)與凝固組織之間的定量關(guān)系，有助于更好的控制Si-TaSi2共晶合金的生長以及開展相應(yīng)凝固理論的研究。表I表明，在同等凝固速率下，本發(fā)明制備的Si-TaSi2共晶合金表現(xiàn)出更好的場發(fā)射性能(開啟電壓小，場發(fā)射電流大)。表I同等凝固速率下、不同定向凝固技術(shù)制備的Si-TaSi2共晶復(fù)合材料的場發(fā)射參數(shù)與性能
凝固技術(shù)本發(fā)明 EBFZMm
凝固速率(50 μ m/s) 5050
開啟電壓(ν/μπι)Ι ΙΓ8
場發(fā)射電流UA)45 2 30·相對于目前傳統(tǒng)的Bridgman方法，本方法通過采用雙區(qū)電阻加熱、紅外熱偶控溫與多層金屬屏蔽保溫，不僅可以實現(xiàn)精確控制熔體溫度、獲得均勻穩(wěn)態(tài)的溫度場而且還可以得到相對較高的溫度梯度(210K/cm);拉伸機構(gòu)采用整體式電磁離合器，大大提高傳動拉伸的精度；凝固過程通過Ga-In-Sn合金強制冷卻，極大提高樣品的冷卻速度，從而獲得組織、成分均勻，纖維超細(xì)化且定向排列的Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料，提高材料的性能。


圖I是本發(fā)明的流程圖。圖2是凝固速率為50 μ m/s時，改進(jìn)的Bridgman定向凝固技術(shù)制備的Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料試棒。圖3 (a)是當(dāng)抽拉速率為I μ m/s時，改進(jìn)的Bridgman定向凝固技術(shù)制備的Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料縱截面微觀組織。圖3 (b)是當(dāng)抽拉速率為I μ m/s時，改進(jìn)的Bridgman定向凝固技術(shù)制備的Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料橫截面微觀組織。圖4(a)是當(dāng)抽拉速率為50 μ m/s時，改進(jìn)的Bridgman定向凝固技術(shù)制備的Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料縱截面微觀組織。圖4(b)是當(dāng)抽拉速率為50 μ m/s時，改進(jìn)的Bridgman定向凝固技術(shù)制備的Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料橫截面微觀組織。圖5(a)是當(dāng)抽拉速率為200 μ m/s時，改進(jìn)的Bridgman定向凝固技術(shù)制備的Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料縱截面微觀組織。圖5(b)是當(dāng)抽拉速率為200 μ m/s時，改進(jìn)的Bridgman定向凝固技術(shù)制備的Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料橫截面微觀組織。圖6是用本方法制備的Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料的場發(fā)射性能圖。
具體實施例方式實施例一本實施例是一種制備Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料的方法。本實施例采用局部強化電阻加熱高梯度定向凝固裝置，通過采用雙區(qū)電阻加熱、紅外熱偶控溫與多層金屬屏蔽保溫，制備Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料。所述的局部強化電阻加熱高梯度定向凝固裝置是由西北工業(yè)大學(xué)提出的，在ZL201010142263. 8中公開。本實施例的具體過程包括以下步驟步驟一，制備Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材以純度為99. 996%的Si和純度為99. 999%的Ta作為原材料，按共晶成分配制，得到母材原料，所述母材原料中Si :Ta的原子百分比為99 I。將按共晶成分配比混合的母材原料裝入石英坩堝中并置于熔煉爐內(nèi)，將熔煉爐抽真空至真空度低于2 X KT4Pa并保 持該真空度。將熔煉爐加熱，加熱中以30°C /min的速度逐步將熔煉爐加熱至1450°C，使母材原料完全熔化后保溫30min。關(guān)閉電源并用冷卻水將熔煉爐內(nèi)溫度冷卻至室溫，得到Φ 62 X IOOmm的Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材。步驟二，填裝試棒將得到的Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材切割成Φ6. 9 X 70mm試棒；將得到的試棒打磨后置于酒精溶液中并采用超聲波清洗30min ;用不銹鋼接頭將Φ7Χ IOOmm的剛玉管連接在抽拉系統(tǒng)上，將清洗干凈的試棒放進(jìn)剛玉管中，然后運行抽拉系統(tǒng)，使不銹鋼接頭剛好完全浸沒到結(jié)晶器Ga-In-Sn冷卻劑液面以下；將內(nèi)徑C>8mm、外徑C>75mm,厚度3mm的氧化招隔熱板放入爐內(nèi)；關(guān)閉爐腔，并安裝W/Re熱電偶。步驟三，Si-TaSi2共晶合金試棒的定向凝固具體過程是將定向凝固爐腔室抽真空至真空度為6. 6X 10_4Pa并保持該真空度。向凝固爐腔室內(nèi)充入Ar氣；依次打開循環(huán)冷卻水、熱電偶后，打開凝固爐中的鎢加熱體電源，以15°C /min的速度加熱凝固爐腔室，同時也會對Si-TaSi2共晶合金試棒和鉭加熱體加熱。當(dāng)鉭加熱體的溫度到達(dá)1000°C時,接通鉭加熱體電源,對該鉭加熱體預(yù)熱IOmin后，通過鉭加熱體對凝固爐腔室加熱至1500°C并保溫30min ;所述鉭加熱體對凝固爐腔室加熱的升溫速率為10°C /min,使Si-TaSi2共晶合金試棒完全熔化。啟動抽拉機構(gòu)，使Si-TaSi2共晶合金試棒以I 200 μ m/s的速率從上至下移動并進(jìn)入Ga-In-Sn液態(tài)金屬中，實現(xiàn)材料的連續(xù)定向凝固，本實施例中，Si-TaSi2共晶合金試棒的抽拉速率為I μ m/s ;定向凝固的溫度梯度為210K/cm。為驗證本實施例的效果，在試樣棒的穩(wěn)態(tài)生長區(qū)分別截取一縱截面和一橫截面，并對所述的縱截面試樣和橫截面試樣進(jìn)行常規(guī)金相處理。將獲得的金相試樣浸入到30°C、HF HNO3=I 4腐蝕液中進(jìn)行濕法腐蝕，腐蝕時間為15min。采用掃描電鏡(SEM)對所得到的Si-TaSi2試樣的縱截面及橫截面顯微形貌進(jìn)行觀察，所獲得的Si-TaSi2 二元共晶自生復(fù)合材料相分布均勻，纖維直徑為8. 36 μ m,纖維間距是64. 85 μ m.實施例二本實施例是一種制備Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料的方法。其具體過程包括以下步驟步驟一，制備Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材以純度為99. 996%的Si和純度為99. 999%的Ta作為原材料，按共晶成分配制，得到母材原料，所述母材原料中Si :Ta的原子百分比為99 I。將按共晶成分配比混合的母材原料裝入石英坩堝中并置于熔煉爐內(nèi)，將熔煉爐抽真空至真空度低于2 X KT4Pa并保持該真空度。將熔煉爐加熱，加熱中以30°C /min的速度逐步將熔煉爐加熱至1450°C，使母材原料完全熔化后保溫30min。關(guān)閉電源并用冷卻水將熔煉爐內(nèi)溫度冷卻至室溫，得到Φ 62 X IOOmm的Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材。步驟二，填裝試棒將得到的Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材切割成Φ6. 9 X 70mm試棒；將得到的試棒打磨后置于酒精溶液中并采用超聲波清洗30min ;用不銹鋼接頭將Φ7Χ IOOmm的剛玉管連接在抽拉系統(tǒng)上，將清洗干凈的試棒放進(jìn)剛玉管中，然后運行抽拉系統(tǒng)，使不銹鋼接頭剛好完全浸沒到結(jié)晶器Ga-In-Sn冷卻劑液面以下；將內(nèi)徑C>8mm,外徑C>75mm,厚度3mm的氧化招隔熱板放入爐內(nèi)；關(guān)閉爐腔，并安裝W/Re熱電偶。步驟三，Si-TaSi2共晶合金試棒的定向凝固具體過程是
將定向凝固爐腔室抽真空至真空度為6. 6X 10_4Pa并保持該真空度。向凝固爐腔室內(nèi)充入Ar氣；依次打開循環(huán)冷卻水、熱電偶后，打開凝固爐中的鎢加熱體電源，以15°C /min的速度加熱凝固爐腔室，同時也會對Si-TaSi2共晶合金試棒和鉭加熱體加熱。當(dāng)鉭加熱體的溫度到達(dá)1000°C時,接通鉭加熱體電源,對該鉭加熱體預(yù)熱IOmin后，通過鉭加熱體對凝固爐腔室加熱至1500°C并保溫30min ;所述鉭加熱體對凝固爐腔室加熱的升溫速率為10°C /min,使Si-TaSi2共晶合金試棒完全熔化。啟動抽拉機構(gòu)，使Si-TaSi2共晶合金試棒以I 200 μ m/s的速率從上至下移動并進(jìn)入Ga-In-Sn液態(tài)金屬中，實現(xiàn)材料的連續(xù)定向凝固，本實施例中，Si-TaSi2共晶合金試棒的抽拉速率為10 μ m/s ;定向凝固的溫度梯度為210K/cm。為驗證本實施例的效果，在試樣棒的穩(wěn)態(tài)區(qū)分別截取一縱截面和一橫截面，并對所述的縱截面試樣和橫截面試樣進(jìn)行常規(guī)金相處理。將獲得的金相試樣浸入到30°C、HF HNO3=I 4腐蝕液中進(jìn)行濕法腐蝕，腐蝕時間為15min。采用掃描電鏡(SEM)對所得到的Si-TaSi2試樣的縱截面及橫截面顯微形貌進(jìn)行觀察，所獲得的Si-TaSi2 二元共晶自生復(fù)合材料相分布均勻，纖維直徑為12. 20 μ m,纖維間距是36. 81 μ m.實施例三本實施例是一種制備Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料的方法。其具體過程包括以下步驟步驟一，制備Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材以純度為99. 996%的Si和純度為99. 999%的Ta作為原材料，按共晶成分配制，得到母材原料，所述母材原料中Si :Ta的原子百分比為99 I。將按共晶成分配比混合的母材原料裝入石英坩堝中并置于熔煉爐內(nèi)，將熔煉爐抽真空至真空度低于2 X KT4Pa并保持該真空度。將熔煉爐加熱，加熱中以30°C /min的速度逐步將熔煉爐的加熱功率升高至14500C，使母材原料完全熔化后保溫30min。關(guān)閉電源并用冷卻水將熔煉爐內(nèi)溫度冷卻至室溫，得到Φ62Χ IOOmm的Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材。步驟二，填裝試棒將得到的Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材切割成Φ6. 9 X 70mm試棒；將得到的試棒打磨后置于酒精溶液中并采用超聲波清洗30min ;用不銹鋼接頭將Φ7Χ IOOmm的剛玉管連接在抽拉系統(tǒng)上，將清洗干凈的試棒放進(jìn)剛玉管中，然后運行抽拉系統(tǒng)，使不銹鋼接頭剛好完全浸沒到結(jié)晶器Ga-In-Sn冷卻劑液面以下；將內(nèi)徑C>8mm,外徑C>75mm,厚度3mm的氧化招隔熱板放入爐內(nèi)；關(guān)閉爐腔，并安裝W/Re熱電偶。步驟三，Si-TaSi2共晶合金試棒的定向凝固具體過程是將定向凝固爐腔室抽真空至真空度為6. 6X 10_4Pa并保持該真空度。向凝固爐腔室內(nèi)充入Ar氣；依次打開循環(huán)冷卻水、熱電偶后，打開凝固爐中的鎢加熱體電源，以15°C /min的速度加熱凝固爐腔室，同時也會對Si-TaSi2共晶合金試棒和鉭加熱體加熱。當(dāng)鉭加熱體的溫度到達(dá)1000°C時,接通鉭加熱體電源,對該鉭加熱體預(yù)熱IOmin后，通過鉭加熱體對凝固爐腔室加熱至1500°C并保溫30min ;所述鉭加熱體對凝固爐腔室加熱的升溫速率為10°C /min,使Si-TaSi2共晶合金試棒完全熔化。啟動抽拉機構(gòu)，使 Si-TaSi2共晶合金試棒以I 200 μ m/s的速率從上至下移動并進(jìn)入Ga-In-Sn液態(tài)金屬中，實現(xiàn)材料的連續(xù)定向凝固，本實施例中，Si-TaSi2共晶合金試棒的抽拉速率為50 μ m/s ;定向凝固的溫度梯度為210K/cm。為驗證本實施例的效果，并和實施例二進(jìn)行比對，在試樣棒的穩(wěn)態(tài)區(qū)分別截取一截面和一橫截面，并對所述的縱截面試樣和橫截面試樣進(jìn)行常規(guī)金相處理。將獲得的金相試樣浸入到30°C、HF HNO3=I 4腐蝕液中進(jìn)行濕法腐蝕，腐蝕時間為15min。采用掃描電鏡(SEM)對所得到的Si-TaSi2試樣的縱截面及橫截面顯微形貌進(jìn)行觀察，所獲得的Si-TaSi2 二元共晶自生復(fù)合材料相分布均勻，相比于實施例二纖維的直徑和間距明顯減小，纖維直徑為3 μ m，纖維間距是6. 51 μ m。實施例四本實施例是一種制備Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料的方法。其具體過程包括以下步驟步驟一，制備Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材以純度為99. 996%的Si和純度為99. 999%的Ta作為原材料，按共晶成分配制，得到母材原料，所述母材原料中Si :Ta的原子百分比為99 I。將按共晶成分配比混合的母材原料裝入石英坩堝中并置于熔煉爐內(nèi)，將熔煉爐抽真空至真空度低于2 X KT4Pa并保持該真空度。將熔煉爐加熱，加熱中以30°C /min的速度逐步將熔煉爐的加熱功率升高至14500C，使母材原料完全熔化后保溫30min。關(guān)閉電源并用冷卻水將熔煉爐內(nèi)溫度冷卻至室溫，得到Φ62Χ IOOmm的Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材。步驟二，填裝試棒將得到的Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材切割成Φ6. 9 X 70mm試棒；將得到的試棒打磨后置于酒精溶液中并采用超聲波清洗30min ;用不銹鋼接頭將Φ7Χ IOOmm的剛玉管連接在抽拉系統(tǒng)上，將清洗干凈的試棒放進(jìn)剛玉管中，然后運行抽拉系統(tǒng)，使不銹鋼接頭剛好完全浸沒到結(jié)晶器Ga-In-Sn冷卻劑液面以下；將內(nèi)徑C>8mm,外徑C>75mm,厚度3mm的氧化招隔熱板放入爐內(nèi)；關(guān)閉爐腔，并安裝W/Re熱電偶。步驟三，Si-TaSi2共晶合金試棒的定向凝固具體過程是將定向凝固爐腔室抽真空至真空度為6. 6X10_4Pa并保持該真空度。向凝固爐腔室內(nèi)充入Ar氣；依次打開循環(huán)冷卻水、熱電偶后，打開凝固爐中的鎢加熱體電源，以15°C /min的速度加熱凝固爐腔室，同時也會對Si-TaSi2共晶合金試棒和鉭加熱體加熱。當(dāng)鉭加熱體的溫度到達(dá)1000°C時,接通鉭加熱體電源,對該鉭加熱體預(yù)熱IOmin后，通過鉭加熱體對凝固爐腔室加熱至1500°C并保溫30min ;所述鉭加熱體對凝固爐腔室加熱的升溫速率為10°c /min，使Si-TaSi2共晶合金試棒完全熔化。啟動抽拉機構(gòu)，使Si-TaSi2共晶合金試棒以I 200 μ m/s的速率從上至下移動并進(jìn)入Ga-In-Sn液態(tài)金屬中，實現(xiàn)材料的連續(xù)定向凝固，本實施例中，Si-TaSi2共晶合金試棒的抽拉速率為100 μ m/s ;定向凝固的溫度梯度為210K/cm。為驗證本實施例的效果，并和實施例二進(jìn)行比對，在試樣棒的穩(wěn)態(tài)區(qū)分別截取一截面和一橫截面，并對所述的縱截面試樣和橫截面試樣進(jìn)行常規(guī)金相處理。將獲得的金相試樣浸入到30°C、HF HNO3=I 4腐蝕液中進(jìn)行濕法腐蝕，腐蝕時間為15min。采用掃描電鏡(SEM)對所得到的Si-TaSi2試樣的縱截面及橫截面顯微形貌進(jìn)行觀察，所獲得的Si-TaSi2 二元共晶自生復(fù)合材料相分布均勻，相比于實施例二纖維的直徑和間距明顯減小，纖維直徑為I. 37 μ m,纖維間距是3. 83 μ m。實施例五本實施例是一種制備Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料的方法。其具體過程包括以下 步驟步驟一，制備Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材以純度為99. 996%的Si和純度為99. 999%的Ta作為原材料，按共晶成分配制，得到母材原料，所述母材原料中Si :Ta的原子百分比為99 I。將按共晶成分配比混合的母材原料裝入石英坩堝中并置于熔煉爐內(nèi)，將熔煉爐抽真空至真空度低于2 X KT4Pa并保持該真空度。將熔煉爐加熱，加熱中以30°C /min的速度逐步將熔煉爐的加熱功率升高至14500C，使母材原料完全熔化后保溫30min。關(guān)閉電源并用冷卻水將熔煉爐內(nèi)溫度冷卻至室溫，得到Φ62Χ IOOmm的Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材。步驟二，填裝試棒將得到的Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材切割成Φ6. 9 X 70mm試棒；將得到的試棒打磨后置于酒精溶液中并采用超聲波清洗30min ;用不銹鋼接頭將Φ7Χ IOOmm的剛玉管連接在抽拉系統(tǒng)上，將清洗干凈的試棒放進(jìn)剛玉管中，然后運行抽拉系統(tǒng)，使不銹鋼接頭剛好完全浸沒到結(jié)晶器Ga-In-Sn冷卻劑液面以下；將內(nèi)徑C>8mm,外徑C>75mm,厚度3mm的氧化招隔熱板放入爐內(nèi)；關(guān)閉爐腔，并安裝W/Re熱電偶。步驟三，Si-TaSi2共晶合金試棒的定向凝固具體過程是將定向凝固爐腔室抽真空至真空度為6. 6X 10_4Pa并保持該真空度。向凝固爐腔室內(nèi)充入Ar氣；依次打開循環(huán)冷卻水、熱電偶后，打開凝固爐中的鎢加熱體電源，以15°C /min的速度加熱凝固爐腔室，同時也會對Si-TaSi2共晶合金試棒和鉭加熱體加熱。當(dāng)鉭加熱體的溫度到達(dá)1000°C時,接通鉭加熱體電源,對該鉭加熱體預(yù)熱IOmin后，通過鉭加熱體對凝固爐腔室加熱至1500°C并保溫30min ;所述鉭加熱體對凝固爐腔室加熱的升溫速率為10°C /min，使Si-TaSi2共晶合金試棒完全熔化。啟動抽拉機構(gòu)，使Si-TaSi2共晶合金試棒以I 200 μ m/s的速率從上至下移動并進(jìn)入Ga-In-Sn液態(tài)金屬中，實現(xiàn)材料的連續(xù)定向凝固，本實施例中，Si-TaSi2共晶合金試棒的抽拉速率為200 μ m/s ;定向凝固的溫度梯度為210K/cm。為驗證本實施例的效果，并和實施例二進(jìn)行比對，在試樣棒的穩(wěn)態(tài)區(qū)分別截取一截面和一橫截面，并對所述的縱截面試樣和橫截面試樣進(jìn)行常規(guī)金相處理。將獲得的金相試樣浸入到30°C、HF HNO3=I 4腐蝕液中進(jìn)行濕法腐蝕，腐蝕時間為15min。采用掃描電鏡(SEM)對所得到的Si-TaSi2試樣的縱截面及橫截面顯微形貌進(jìn)行觀察，所獲得的 Si-TaSi2 二元共晶自生復(fù)合材料相分布均勻，相比于實施例二纖維的直徑和間距明顯減小，纖維直徑為I. 17 μ m,纖維間距是3. 09 μ m。
權(quán)利要求
1.一種制備Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料的方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一，制備Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材 以高純的Si和高純的Ta作為原材料，按共晶成分配制，得到母材原料，所述母材原料中Si :Ta的原子百分比為99 I ;將母材原料裝入石英坩堝中并置于熔煉爐內(nèi)，將熔煉爐抽真空至真空度低于2X 10_4Pa并保持該真空度；將熔煉爐加熱，加熱中以30°C /min的速度逐步將熔煉爐加熱至1450°C，使母材原料完全熔化后保溫30min ;關(guān)閉電源并用冷卻水將熔煉爐內(nèi)溫度冷卻至室溫，得到Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材； 步驟二，填裝試棒 將得到的Si-TaSi2共晶合金鑄錠母材切割成試棒；將得到的試棒打磨后置于酒精溶液中并采用超聲波清洗30min ;將清洗干凈的試棒放進(jìn)剛玉管中；運行抽拉系統(tǒng)，使不銹鋼接頭完全浸沒到結(jié)晶器Ga-In-Sn冷卻劑液面以下；將氧化鋁隔熱板放入爐內(nèi)；關(guān)閉爐腔，并安裝W/Re熱電偶； 步驟三，Si-TaSi2共晶合金試棒的定向凝固 Si-TaSi2共晶合金試棒的定向凝固的具體過程是 將定向凝固爐腔室抽真空至真空度為6. 6X10_4Pa并保持該真空度；向凝固爐腔室內(nèi)充入Ar氣；依次打開循環(huán)冷卻水、熱電偶后，打開凝固爐中的鎢加熱體電源，以15°C /min的速度加熱凝固爐腔室，同時也會對Si-TaSi2共晶合金試棒和鉭加熱體加熱； 當(dāng)鉭加熱體的溫度到達(dá)1000°C時,接通鉭加熱體電源,對該鉭加熱體預(yù)熱IOmin后,通過鉭加熱體對凝固爐腔室加熱至1500°C并保溫30min ;所述鉭加熱體對凝固爐腔室加熱的升溫速率為10°C /min，使Si-TaSi2共晶合金試棒完全熔化；啟動抽拉機構(gòu)，使Si-TaSi2共晶合金試棒以I 200 μ m/s的速率從上至下移動并進(jìn)入Ga-In-Sn液態(tài)金屬中，實現(xiàn)材料的連續(xù)定向凝固。
全文摘要
一種制備Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料的方法，采用雙區(qū)電阻加熱，加熱體分別采用鎢、鉭加熱元件，提高熔體的溫度梯度；采用多層金屬屏蔽保溫，抑制徑向散熱，并通過紅外熱電偶控溫實現(xiàn)對熔區(qū)溫度的精確控制；采用氧化鋁隔熱板將溫度場分為熱區(qū)和冷區(qū)，形成嚴(yán)格的單向熱流。當(dāng)試樣完全熔化后，通過拉伸將試樣抽拉到Ga-In-Sn液態(tài)金屬中強制冷卻，從而獲得組織超細(xì)化，TaSi2纖維分布均勻的Si-TaSi2共晶自生復(fù)合材料，提高材料的性能。
文檔編號C30B28/06GK102888649SQ201210382748
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者蘇海軍, 張軍, 楊新宇, 劉林, 傅恒志 申請人:西北工業(yè)大學(xué)