一種高韌性陶瓷基復合材料及其制備方法與應用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于陶瓷復合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高韌性陶瓷基復合材料及 其制備方法與應用。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于TiB2、Al2O3等陶瓷材料具有高熔點、高彈性模量、高硬度和高化學穩(wěn)定性等 優(yōu)良的物理化學性能，在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應用前景。但是，陶瓷材料固有的 常溫脆性及燒結(jié)性差的特點，使得采用傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝制備高致密單相塊體陶瓷材料的 難度很大，這極大地限制了塊體陶瓷材料作為結(jié)構(gòu)材料在各領(lǐng)域的應用。近年來，通過 添加助燒劑并結(jié)合新型的燒結(jié)工藝制備陶瓷基復合材料，成為提高陶瓷材料燒結(jié)性能及 力學性能的有效途徑。目前，應用于陶瓷材料中的助燒劑主要有以下幾種類型：（1)添加 金屬單質(zhì)，由于金屬的熔點較低，在高溫燒結(jié)條件下較易產(chǎn)生金屬液相，這能夠增加粉末 顆粒間的接觸面積，改善粉末顆粒間的介質(zhì)，從而促進材料的致密化，提高材料的力學性 能。譬如，由于過渡金屬與TiB2具有良好的潤濕性，因此常作為金屬單質(zhì)或金屬體系助 燒劑。通過選取一系列熔點由低到高的金屬與TiB2進行潤濕性實驗研宄，發(fā)現(xiàn)致密效果 最好的是恪點較低 Ni 和 Cr (Hoke D.A·，Meyers M.A. Journal of the American Ceramic Society, 1995, 78 (2) : 275-284) ; (2)添加過渡金屬氧化物與硼化物，Zr02、Cr203、CrB 2等都 是常用的粉末助燒劑。例如，由于與TiB2具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，兩者通過產(chǎn)生固溶離子使得 TiB2晶格活性增強，從而提高原子擴散能力，因而CrB 2可作為助燒劑改善TiB 2陶瓷材料的 燒結(jié)性能。通過微波燒結(jié)在2100°C保溫30min成功制備出全致密的TiB2-3vol. % CrB2陶瓷 基復合材料，力學性能較單相TiB2陶瓷材料大幅提升（Holcombe C.E·，Dykes N.L. Journal of Materials Science, 1991，26 (14) :3730-3738) ; (3)添加第二相陶瓷顆粒，不僅降低燒 結(jié)成型溫度，提高致密度，還能有效改善陶瓷材料的力學性能。比如，在2500°C時TiBjP TiC能夠形成低共熔物；在1600~1700°C燒結(jié)時可以獲得完全致密的TiCVTiB2復合材料， 而且TiC與TiB22間還能形成冶金結(jié)合的界面，因而以TiC作為添加劑有利于提高TiB 2陶瓷材料的斷裂韌性（Vallauri D·，Atias Adridin I.C·，Chrysanthou A. Journal of the European Ceramic Society, 2008, 28(8):1697-1713)〇
[0003] 然而，隨著對復合材料斷裂韌性要求的不斷提高，探尋新型的助燒劑一直是研宄 者們不斷追求的目標。研宄表明，多組元非晶粉末在其寬過冷液相區(qū)內(nèi)具有超塑性和粘滯 流動性，即非晶粉末的粘度在過冷液相區(qū)明顯降低，而當溫度超過晶化溫度后，其粘度隨溫 度又隨之升高。在粉末燒結(jié)過程中，粉末粘度的降低意味著其粉末流動阻力減小，原子擴散 能力增強，從而可有效促進粉末的致密化。通過比較多組元鈦基非晶態(tài)和晶態(tài)粉末的致密 化行為發(fā)現(xiàn)，非晶態(tài)粉末的致密化起始溫度明顯降低，而且非晶態(tài)粉末經(jīng)燒結(jié)獲得的塊狀 合金的致密度要明顯高于晶態(tài)粉末（劉樂華.基于非晶晶化理論的高強韌鈦鈮基復合材料 制備研宄.華南理工大學碩士學位論文，2014)。另外，非晶晶化機制研宄表明，非晶態(tài)粉末 在燒結(jié)過程中往往形成納米晶/超細晶結(jié)構(gòu)，通過細晶強化作用可使材料的力學性能得以 提升。研究表明，通過非晶晶化方法制備的Ti基、Fe基和Ni基等體系的納米晶/超細晶 合金，相比用一般成形工藝所制備的塊狀合金，其力學性能更加優(yōu)異。由此可見，探索利用 具有非晶相的合金粉末作為助燒劑提高陶瓷材料的燒結(jié)性能和斷裂韌性具有十分重要的 意義。迄今，很少見到研宄者采用非晶相助燒劑制備高性能陶瓷基復合材料的研宄報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種高韌 性陶瓷基復合材料。
[0005] 本發(fā)明的另一目的在于提供上述高韌性陶瓷基復合材料的制備方法。
[0006] 本發(fā)明的再一目的在于提供上述高韌性陶瓷基復合材料的應用。
[0007] 本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0008] 一種高韌性陶瓷基復合材料，所述陶瓷基復合材料以細晶的陶瓷相為基體，以金 屬間化合物TiAl、Ti2AlNb和Ti3Al中的至少一種為彌散增強相。
[0009] 所述的陶瓷相優(yōu)選TiB2、A1203、ZrO^ SiC ;更優(yōu)選TiB 2。
[0010] 上述高韌性陶瓷基復合材料的制備方法，所述制備方法是以TiAlNb基非晶粉末 作為助燒劑，采用機械球磨和放電等離子燒結(jié)相結(jié)合的成形方法。
[0011] 所述制備方法具體包括以下制備步驟：
[0012] (1)高能球磨制備TiAlNb基非晶粉末
[0013] 將Ti、Al、Nb和其它微量組元按照設計的原子百分比配料，其中Ti含量為48. 1~ 60. 8at. %，Al含量為25. 0~46. 5at. %，Nb含量為3. 0~KX Oat. %，其他微量組元的含 量為2. 4~4. 2at. %，置于球磨機上進行球磨，形成非晶相的TiAlNb基非晶粉末；
[0014] ⑵混粉
[0015] 將步驟（1)得到的TiAlNb基非晶粉末與純TiB2粉末在球磨機上進行球磨混合， 得到非晶粉末均勻分布的混合粉末；
[0016] (3)燒結(jié)制備高韌性陶瓷基復合材料
[0017] 將步驟（2)得到的混合粉末裝入模具內(nèi)，采用燒結(jié)設備進行燒結(jié)，得到高韌性TiB2陶瓷基復合材料。
[0018] 步驟（1)中所述的其它微量組元優(yōu)選V、Mo和B的組合或Cr、W和B的組合。
[0019] 步驟（3)中所述的燒結(jié)設備優(yōu)選放電等離子燒結(jié)設備、熱壓燒結(jié)設備或熱等靜壓 燒結(jié)設備。
[0020] 所述的放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)的燒結(jié)工藝條件如下：
[0021] 燒結(jié)設備：放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)
[0022] 燒結(jié)電流類型：脈沖電流
[0023] 燒結(jié)溫度 Ts :1200 °C 彡 Ts 彡 1500 °C
[0024] 燒結(jié)時間：20~25min
[0025] 燒結(jié)壓力：5OMPa。
[0026] 上述高韌性陶瓷基復合材料在結(jié)構(gòu)材料制備中的應用。
[0027] 本發(fā)明制備方法的原理為：由于選取TiAlNb基非晶粉末作為助燒劑，故混合粉末 的致密化過程主要包括兩個階段：①在< 600°C時由于非晶粉末在其過冷液相區(qū)所具有的 粘性流變性，可大幅促進!182陶瓷粉末在低溫下的致密化；②在870~1500°C的溫度區(qū)間， 為典型的普通助燒劑促進陶瓷粉末的致密化過程。同時，由于燒結(jié)溫度區(qū)間1200~1500°C 遠遠高于非晶粉末的晶化溫度，從而在陶瓷粉末燒結(jié)致密化的過程中，TiAlNb基非晶粉末 發(fā)生晶化生成金屬間化合物TiAl、Ti2AlNb和Ti3Al ;由于得到的陶瓷基復合材料相對密度 均在95%以上，故在受力條件下微裂紋可在金屬間化合物處發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋聯(lián)，從 而使得材料的斷裂韌性得到大幅提升。
[0028] 本發(fā)明的制備方法及所得到的產(chǎn)物具有如下優(yōu)點及有益效果：
[0029] (1)本發(fā)明的制備方法通過控制加壓方式、燒結(jié)溫度、升溫速率和燒結(jié)時間，可實 現(xiàn)微觀組織晶粒均勻、近全致密、高韌性且高硬度的塊體TiB2基陶瓷復合材料的制備；
[0030] (2)本發(fā)明采用TiAlNb基非晶粉末作為助燒劑，制備的塊體TiB2S陶瓷復合材料 的綜合力學性能優(yōu)異，其顯微硬度和斷裂韌性分別可達21. 09GPa和10. 31MPa ·πι1/2,相比采 用含有同樣質(zhì)量分數(shù)的其他助燒劑，本發(fā)明制備的塊體TiB2S陶瓷復合材料斷裂韌性得到 了大幅提升；
[0031] (3)本發(fā)明所述機械球磨和脈沖電流燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合的成形方法，加工過程簡單、 操作方便，成材率高、節(jié)約原材料和近終成形；同時，成形材料尺寸較大，材料內(nèi)部界面清潔 且其晶粒尺寸可控；
[0032] (4)本發(fā)明制備的高韌性塊體TiB2基陶瓷復合材料是一種具有新型結(jié)構(gòu)的陶瓷復 合材料，綜合力學性能優(yōu)異，尺寸較大、直徑可大于20_，能基本滿足作為新型結(jié)構(gòu)件材料 的應用要求，具有廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0033] 圖1為實施例1制備的TiAlNb基非晶粉末的透射電鏡圖；
[0034] 圖2為實施例1制備的塊體TiB2基陶瓷復合材料的掃描電鏡圖；
[0035] 圖3為實施例1制備的塊體TiB2S陶瓷復合材料的維氏硬度壓痕圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。
[0037] 實施例1
[0038] (1)高能球磨制備TiAlNb基非晶粉末
[0039] 將Ti、Al、Nb、以及V、Mo和B的初始元素粉末按照原子百分比 Ti-25Al-10Nb-3V-lM〇-0. 2B(at. % )配料，置于行星式球磨機（QM-3SP2,南京南大儀器廠） 上進行高能球磨，采用不銹鋼罐體和磨