专利名称：高温材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于高温环境中的材料。
背景技术：
在高于1100℃的温度时用于例如发热元件以及其它高温应用环境中用于结构细部元件等结构中的形成氧化物并且耐腐蚀的所有高温材料中，包括SiO2形成材料，例如碳化硅(SiC)、硅化钼(MoSi2)、氮化硅(Si3N4)等，以及氧化铝形成材料，例如FeCrAl、MeCrAlY以及钼铝硅化物(Mo(Si1-xAlx)2)等。NiCr合金还形成在表面上演化成氧化铬(Cr2O3)钝化层的保护层。
在还原气氛例如在氢气气氛中，由于铝具有比铬和硅更高的亲氧性这样一个事实，根据上述的氧化铝形成材料还比SiO2和Cr2O3形成材料更加稳定。所述的这些层使得基底材料钝化，由此防止其在高温氧化气氛以及其它环境下性能退化。由于在高于1300℃的温度时缺乏蠕变耐久性以及抗变形性，金属高温合金例如FeCrAl等的应用受到限制。而且，在合金中含量有限的铝缩短了氧化寿命。当要求在高于1200-1300℃的温度下具有较长的氧化寿命期限时，NiCr合金也不能作为一种有益的替代。
发明内容
本发明提供一种材料，在高于1200℃的温度下，其在氧化气氛中具有较长的寿命。
因此本发明涉及一种用在高于1200℃的温度下并且用于氧化气氛中的材料，其基本由金属、铝(Al)和碳(C)或者氮(N)所形成的合金构成，并且其特征在于，该合金具有成分MzAlyXw，其中M基本为钛(Ti)、铬(Cr)和/或铌(Nb)，并且其中X为碳(C)，或者当M为钛(Ti)时X为氮(N)和/或碳(C)；并且z位于1.8至2.2的范围中，y位于0.8-1.2的范围中，而且w位于0.8-1.2的范围中，并且其中当加热至所述的温度之后形成保护性氧化层Al2O3。
瑞典专利申请No.0102214-4描述了一种用于制造单相合成物Mn+iAzXn的方法，其中n位于0.8-3.2的范围内，并且其中z位于0.8-1.2的范围内，其中M可以为钛(Ti)，其中X可以为碳(C)或者氮(N)，并且其中A可以为铝(Al)。该方法包括形成所述金属、非金属以及最后提及的元素或者所述元素的化合物的粉末混合物，并且在惰性气氛中点燃所述的粉末，从而抑制分解的发生，通过其使得内部的成分进行反应，并且该方法特征在于，使得反应温度保持在或者高于引起所述成分发生反应的温度、但是低于致使该单相合成物发生分裂的温度。
本发明是基于这样一个意外发现，即在Ti-Al-C三元相图中，材料Ti2AlC以及一种成分与Ti2AlC相接近的材料具有非常好的特性，这些特性在权利要求1所限定的狭窄范围之外并不存在。对于Ti2AlN而言，上述发现同样成立。
当金属Ti由铬(Cr)和/或铌(Nb)所替代时，上述发现亦然全部的或者部分地适用。
根据本发明，如果此时M为钛(Ti)，X还可以是氮(N)和/或碳(C)。
本发明所提供的一个优点在于，使得在这样的高温氧化气氛中的应用成为可能，在该气氛中，金属合金不能在高于1200℃的温度下经受可接受的作业时间，并且金属间化合物如钼铝硅化物的机械性能受到限制，例如抵抗热冲击的能力受到限制。
根据本发明的一个优选实施例，在所述合金中，可用以下元素或者物质，即钽(Ta)和钒(V)中的一种部分地替代金属(M)作为合金物质。
然而，在这方面，一种特别有益的合金是具有成分TizAlyCw的合金，其中z位于1.8至2.2的范围内，y位于0.8-1.2的范围内，并且w位于0.8-1.2的范围内，并且其中如此选择z、y和w，从而当受热时，该材料将形成保护性的Al2O3氧化层。
在所述合金的一个优选变型形式中，z＝2.0，y位于1.0-1.2的范围内，并且w为1.0。
三元碳化合物Ti3SiC2具有与本发明材料相似的机械性能，但是其实质性缺陷在于钛硅碳化物形成快速增长的TiO2和SiO2的非钝化混合氧化物，在实际中，这使得在材料不发生退化的情况下并且在高于1100℃的温度的氧化气氛中长时期的使用该材料成为不可能。
还应该强调的是，当本发明材料用于具有足够低的氧分压以避免在材料表面上形成氧化铝的条件下，该材料将与化学式TizAlyCw一致的保持原样。
在特定的情况，三元相Ti3AlC2以及相近的成分也在所述表面上形成氧化铝，因此能够在该材料中用作二级相。
本发明材料还可以包括Al2O3、TiC和/或铝化钛。
碳化钛和铝化钛可存在于该材料中，而不会对本发明材料的成分的氧化特性产生不利的影响。
在所述材料的成分中，还可以作为放大相添加Al2O3。
下面为工作示例。
1.在球磨机中将4000g的Ti、1240g的Al和501g的C(相应于成分Ti2A1.1C)以粉末形式混合4小时的时间。
2.将粉末混合物置于含有氢气的氧化铝管状炉中。
3.根据下述循环对所述粉末进行热处理以3℃/min.的速率加热至400℃的温度。
将粉末在400℃的温度下保持4小时。
以2℃/min.的速率加热至800℃的温度。
将粉末在800℃的温度下保持4小时。
以2℃/min.的速率加热至1400℃的温度。
将粉末在1400℃的温度下保持4小时。
4.自然冷却。
5.将反应后的粉末进行粉碎并且研磨至具有325目(mesh)的粉末细度。
6.对粉末的XRD分析表明，主相为Ti2AlC，并且存在一些Ti3AlC2和Al3Ti。
7.将Ti、Al、C(根据步骤1中的条件)以及重量百分比为20％的活性粉末(步骤5)进行封装并且置于水冷钢制容器中。该容器被抽成真空并且用纯净氩气进行填充。
8.利用电热点燃该粉末。该过程称为SHS(Self propagating Hightemperature Synthesis，自蔓延高温合成)。
9.使得反应后的材料自然冷却。
10.将活性材料研磨至具有325目(mesh)的粉末细度。
11.对粉末的XRD分析表明，主相为Ti2AlC，并且存在一些Ti3AlC2、TiC和Al3Ti(少于10％)。
12.将粉末冷却、冷压并且在1500℃氮气气氛中进行烧结1小时。
13.对烧结材料的光学显微和SEM(Sweep Electron Microscope，扫描电子显微镜)分析表明，该试样具有高密度，其孔隙率小于2％。在晶界处观察到一些Ti3AlC2的颗粒以及少于5％的TiAl3。颗粒尺寸在30μm的水平上，并且有些颗粒其尺寸在200μm的水平上。
14.将试样置于用来研究其氧化特性的装置中。将试样在1100℃的温度时保持8个小时、在1200℃保持8个小时、并且在1300℃保持8个小时。发现氧化进程类似抛物线。氧化表面变白，这说明有氧化物薄层。
15.SEM分析表明，该氧化层具有5微米的厚度并且由高密的和附着的Al2O3构成。
16.将烧结棒的一部分磨光至1000粒度(Grit)。
17.将该试样置于用来研究其循环性质的装置中。将试样在1200℃保持4个小时并且使其自然冷却。如此重复循环十次。
18.氧化表面变白，这表明有氧化物薄层。
19.SEM分析表明，该氧化层具有3μm的厚度并且由高密的和粘性的Al2O3构成。
20.将烧结棒磨光至1000粒度(Grit)。
21.将试样置于含有空气的在1200℃的箱式炉中980个小时。
22.氧化表面变白，这表明有氧化物薄层。
23.该试样重量增加了10mg，并且具有白色的Al2O3表面层。
本发明材料的另一种优选的应用涉及煤气加热式或者挥发性燃料加热式红外线热辐射器，其中该材料用作辐射发射表面。其中，在造纸工业中这种类型的IR辐射器用于对纸张以及类似材料进行烘干、湿气压型(moisture profiling)以及表面涂覆。这种辐射发射表面以平板形式较为方便。该平板可以构造为具有通孔的板，例如具有形式为蜂窝结构的孔模式。可选的，该表面例如可以由多个平行的薄壁板构造。本发明材料有助于实现耐用的热辐射板，这是由于其结合有多个优良特性，其中在高达1400℃具有慢的氧化速率、良好的热传导性、与其它陶瓷相比具有简化的可加工性(导致更低的制造成本)、抵抗热冲击的极好能力，其对于尖锐边缘以及变化材料厚度的设计不施加限制。
本发明材料具有导电性，电阻系数在室温时约为0.5Ωmm2/m，并且在1200℃时约为2.5Ωmm2/m。由于该材料良好的机械性能以及其在高温时所保持的特性，该材料在氧化和还原气氛以及真空条件下均可有利的用作电阻元件。通过其可以获得该发明材料所提供的优点的其它应用例如包括气体点火器、火焰探测器、加热器塞以及这种使用。该材料在炉中的使用并不局限于上面所给出的实例。除了这种使用之外，该材料可以构成下述装置的各个部分或者其全部托盘、基片座、内部设备、支撑转子等。
例如在热喷方法如HVOF、等离子体喷涂等的辅助下，本发明材料还可以以粉末形式方便的用于表面涂覆的目的。使用所称的PVD(物理气相沉积)和CVD(化学气相沉积)等气相沉积工艺的表面涂覆还可能制造抗高温腐蚀的层。当设计为具有适当电阻的电路图案的形式时，这种表面涂层还可以用作对硅片或硅板进行热处理的平面形加热元件。
除了上述的应用领域之外，本发明材料还可以用于如下这些方面乙烯制造管、换热器、燃烧器喷嘴、燃气轮机部件等。
虽然已经参考各种不同应用对本发明进行了如上描述，对于本领域普通技术人员而言，显然的是，本发明材料可以用于其中本材料特性有益的其它应用中。
因此应当理解，本发明并不局限于其前述的示例性实施例，而是在所附权利要求的范围内，可以做出各种改变和修改。
权利要求
1.一种用在高于1200℃的温度下以及氧化气氛中的材料，其基本由金属、铝(Al)和碳(C)或者氮(N)所形成的合金构成，其特征在于，该合金具有成分MzAlyXw，其中M基本包括钛(Ti)、铬(Cr)和/或铌(Nb)，并且其中X为碳(C)，或者当M为钛(Ti)时X为氮(N)和/或碳(C)；并且z位于1.8至2.2的范围中，y位于0.8-1.2的范围中，而且w位于0.8-1.2的范围中，并且其中当加热至所述的温度之后形成保护性氧化层Al2O3。
2.根据权利要求1的材料，其特征在于，金属(M)部分地由钽(Ta)和钒(V)中的一种物质构成以在所述合金中作为合金物质。
3.根据权利要求1或2的材料，其特征在于，该合金具有成分TizAlyXw，其中z位于1.8至2.2的范围内，y位于0.8-1.2的范围内，并且w位于0.8-1.2的范围内，并且其中如此选择z、y和w，从而当受热时，该材料将形成保护性的Al2O3氧化层。
4.根据权利要求3的材料，其特征在于，z＝2.0，y位于1.0-1.2的范围内，并且w为1.0。
全文摘要
本发明涉及一种用在高于1200℃的温度下以及氧化气氛中的材料，其基本由金属、铝(Al)和碳(C)或者氮(N)所形成的合金构成。本发明特征在于，该合金具有成分M
文档编号C04B35/58GK1747898SQ200480003795
公开日2006年3月15日 申请日期2004年1月27日 优先权日2003年2月7日
发明者马茨·松德贝里, 谢尔·林格伦, 塔梅尔·埃－劳吉, 古斯塔夫·马尔姆奎斯特 申请人:山特维克知识产权股份有限公司