一种高强度耐侵蚀Al4O4C基复合材料及其制备方法

本发明属于高温结构陶瓷。具体涉及一种高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，科学技术的发展要求材料性能愈来愈高，尤其是受限于当前国际形势下亟待解决的关键核心技术，对真空感应熔炼高温合金的坩埚材料的要求更高。在高温使用过程中，为使坩埚材料不与合金发生反应，提高合金的纯度，高温合金熔炼用坩埚材料应具备优良的耐侵蚀性；与此同时，高温合金熔炼用坩埚材料应兼顾优良的力学性能。al4o4c被认为是al-o-c体系中最稳定的化合物(yu c,dong b,chen y,et al.enhanced oxidationresistance of low-carbon mgo–c refractories with ternary carbides:a review[j].journal of iron and steel research international,2022,29(7):1052-1062.)，由于具有低密度(2.68g·cm-3)、高熔点(～1890℃)、良好的抗水化和抗氧化性能以及高效的发光性能等特点而越来越受到关注，有望在高温合金用熔炼坩埚领域得到广泛应用。然而，目前al4o4c基复合材料的力学性能及耐侵蚀性能仍然面临着巨大挑战。

2、yu等人(yu c,cheng k,ding j,et al.synthesis and some propertiesofal4sic4–al4o4c composites[j].ceramics international,2018,44(14):17154–17159.)研究了合成温度和原料配比等因素对al4sic4–al4o4c复合材料形成过程及耐侵蚀性的影响，随着腐蚀的进行，在al4sic4–al4o4c复合材料的热面上形成了一层六铝酸钙(ca6)，虽使熔渣侵蚀速率降低。但该技术所制备的al4o4c基复合材料致密性差，熔渣易侵蚀渗透，由此导致其耐侵蚀性下降。

3、yan等(yan m,zhang j,sun g,et al.retracted:phase composition,microstructure,and properties ofal4o4c–(al2oc)1-x(aln)x–zr2al3c4–al2o3refractories prepared at high temperatures in nitrogen[j].2021.)在1300～1700℃和氮气中，通过构建al@aln+c核壳结构，制备了超低碳的新型al4o4c–(al2oc)1-x(aln)x–zr2al3c4–al2o3复合材料，然而在制备过程中会出现晶型稳定性较差的zro2，其晶型转变会产生较大的体积膨胀，弱化复合材料的力学性能。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料的制备方法，用该方法制备的制品耐侵蚀性优异、力学性能好，能满足制备真空感应熔炼高温合金的坩埚所需材料的要求。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案步骤是：

3、步骤一、按照55～80wt％的碳氧化铝粉体、10～30wt％的氧化钇粉体和5～20wt％的调质剂配料，先向所述碳氧化铝粉体中加入所述调质剂的40～60wt％，混合，再依次加入所述氧化钇粉体和所述调质剂的剩余部分，得混合粉体。

4、步骤二、按照所述混合粉体∶无水乙醇∶球磨珠的质量比为1∶6～8∶3～6配料，将所述混合粉体、无水乙醇和所述球磨珠置于球磨机中，在150～300r/min条件下球磨8～16h，得到混合浆料。

5、步骤三、将所述混合浆料在60～110℃条件下干燥24～48h，得到粉料；再将所述粉料研磨至粒度小于75μm，得到研磨料。

6、步骤四、按照所述研磨料∶结合剂的质量比为1∶0.05～0.2，将所述研磨料和所述结合剂混合，置于预压模具中，于10～20mpa的成型条件下预压，再于100～200mpa的条件下冷等静压成型，即得复合材料预制坯。

7、步骤五、将所述复合材料预制坯在60～110℃条件下干燥24～48h，然后在110～250℃条件下固化4～18h，再将固化后的复合材料预制坯置于气氛保护炉中，在氩气气氛中进行排胶，得到复合材料素坯。

8、步骤六、将所述复合材料素坯置于石墨坩埚中，再将所述石墨坩埚置于高温气氛烧结炉中；在氩气气氛中：以5～30℃/min的速率升温至1600～1800℃，保温60～180min，随炉冷却，制得高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料。

9、所述碳氧化铝粉体的al4o4c含量≥99.9wt％；碳氧化铝粉体的粒径小于20μm。

10、所述氧化钇粉的y2o3含量≥99.5wt％；氧化钇粉体的粒径小于6μm。

11、所述调质剂为铝粉、氧化铝粉和刚玉粉中的一种，其中：铝粉的al含量≥99wt％，氧化铝粉的al2o3含量≥99wt％，刚玉粉的al2o3含量≥98wt％；调质剂的粒径小于75μm。

12、所述结合剂为环氧树脂、酚醛树脂和聚乙烯醇中的一种。

13、所述球磨机为卧式球磨机、或为行星式球磨机。

14、所述球磨珠材质为玛瑙、或为氧化锆。

15、所述氩气气氛的纯度为99.99％；流量为15～20l/min。

16、由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

17、本发明以碳氧化铝粉体、氧化钇粉为原料，加入调质剂及结合剂混合，在烧结过程中通过碳氧化铝高温分解，与氧化钇反应原位生成组织均匀的y3al5o12网状结构，在高温时，原位生成的y3al5o12与al4o4c基体材料相间相容性良好，结合紧密，原位生成的y3al5o12晶粒可以直接填充al4o4c晶粒间的孔隙，能有效促进y3al5o12-al4o4c复合材料的致密性。在y3al5o12-al4o4c结构以及高致密性的耦合作用下，有效阻止了钛液的进一步渗透，制得的高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料的耐侵蚀性优异。

18、本发明制备的高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料，原位形成的铝酸钇液相促进了al4o4c的各向异性晶粒生长，并以yag相的形式固结在al4o4c晶界处，高热膨胀系数的铝酸钇液相在固结收缩过程中，会在y3al5o12-al4o4c晶界处产生压应力，从而强化晶界，提高了高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料的力学性能。

19、本发明制备的高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料经检测：弯曲强度为118～331mpa；断裂韧性为6.1～8.9mpa·m1/2；维氏硬度为10.4～18.9gpa；润湿角为75～90°。

20、因此，本发明制备的高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料具有耐侵蚀性优异和力学性能好的特点，能满足制备真空感应熔炼高温合金的坩埚所需材料的要求。

技术特征：

1.一种高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法的步骤是：

2.如权利要求1所述的高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳氧化铝粉体的al4o4c含量≥99.9wt％；碳氧化铝粉体的粒径小于20μm。

3.如权利要求1所述的高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料的制备方法，其特征在于，所述氧化钇粉的y2o3含量≥99.5wt％；氧化钇粉体的粒径小于6μm。

4.如权利要求1所述的高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料的制备方法，其特征在于，所述调质剂为铝粉、氧化铝粉和刚玉粉中的一种，其中：铝粉的al含量≥99wt％，氧化铝粉的al2o3含量≥99wt％，刚玉粉的al2o3含量≥98wt％；调质剂的粒径小于75μm。

5.如权利要求1所述的高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料的制备方法，其特征在于，所述结合剂为环氧树脂、酚醛树脂和聚乙烯醇中的一种。

6.如权利要求1所述的高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料的制备方法，其特征在于，所述球磨机为卧式球磨机、或为行星式球磨机。

7.如权利要求1所述的高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料的制备方法，其特征在于，所述球磨珠材质为玛瑙、或为氧化锆。

8.如权利要求1所述的高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料的制备方法，其特征在于，所述氩气气氛的纯度为99.99％；流量为15～20l/min。

9.一种高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料，其特征在于所述高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料是根据权利要求1～8项中任一项所述高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料的制备方法所制备的高强度耐侵蚀al4o4c基复合材料。

技术总结本发明涉及一种高强度耐侵蚀Al4O4C基复合材料及其制备方法。其技术方案是：向碳氧化铝粉体中加入部分调质剂，混合，再加入氧化钇粉体和调质剂的剩余部分，得混合粉体。将混合粉体、无水乙醇和球磨珠置于球磨机中球磨，得混合浆料；将混合浆料干燥，研磨，得研磨料；再将研磨料和结合剂混合，预压，冷等静压成型，得复合材料预制坯；然后进行干燥和固化，于气氛保护炉中排胶，最后将得到的复合材料素坯置于石墨坩埚中，并置于高温气氛烧结炉中，升温，保温，冷却，制得高强度耐侵蚀Al4O4C基复合材料。本发明制备的高强度耐侵蚀Al4O4C基复合材料具有耐侵蚀性优异和力学性能好的特点，能满足制备真空感应熔炼高温合金的坩埚所需材料的要求。技术研发人员：余超,程厚睿,邓承继,丁军,祝洪喜,闫浩,罗益欣受保护的技术使用者：武汉科技大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1