[发明专利]基于碳化硼的材料和其制造工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于碳化硼的材料和所述材料的合成工艺。

定义

如本文所使用，重量百分比或重量%指仅有组分和碳化硼的混合物中所述组分的相对比例(不是含有碳化硼、所述组分和其它组分的物质中所述组分的重量百分比)。因此，例如，Ti或钛重量%指钛和碳化硼物质中钛的百分比。

发明背景

碳化硼(B₄C)是在钻石之后，已知第三硬的材料，并且是在环境压力下热力学稳定的已知最硬的材料。高硬度结合低重量(理论密度：2.52g/cm³)已经使得碳化硼成为个人装甲系统阻挡(例如)穿甲弹的冲击面的优选材料。此类装甲通常通过热压生产，牵涉在更高温度下用石墨模具单轴向将碳化硼粉末压成石墨形状。虽然这个过程产生孔隙率足够低以正确发挥装甲的作用的致密陶瓷体，但是热压碳化硼仅仅对于制造简单形状在经济上可行，从而可使一个零件套在另一个上，以致可同时热压一堆零件。

在最近发布的专利中，Speyer等(美国专利号7,517,491)证实，可部分通过萃取压坯中颗粒上的氧化硼层，将高纯度烧结矿品位(中值粒度，d₅₀=0.8μm)碳化硼无压烧结成闭孔状态。然后此类制品可受益于热等静压(HIPing)的致密化作用。在热等静压后，这些制品接近达到理论密度，不受由于加工方法的形状限制，并且产生的硬度比对碳化硼报道的其它硬度更高。Speyer等使用的碳化硼粉末纯度高，亚微米级(d₅₀=0.8μm)，宽粒度分布促进高的生坯相对密度(65-70%)。

众所周知无压烧结包括烧结促进剂(例如碳)的碳化硼坯。坯可包括在形成坯之前呈粉末形式引入坯中的钛化合物，例如二氧化钛，也众所周知。见C.S.Wiley,Ph.D:Thesis,Synergistic Methods for the Production of High Strength and Low Cost Boron Carbide,Georgia Institute of Technology，2011年12月出版。

发明概述

可采用一种根据本发明的工艺制造(例如)适合装甲冲击面的高硬度固体制品。根据本发明的工艺使用包含涂有钛化合物的碳化硼颗粒的碳化硼粉末，使其形成生坯，无压烧结并热等静压以获得包括至少一个碳化硼相和二硼化钛相的高相对密度和高硬度的固体制品。此外，可根据本发明向涂层中添加含碳化合物以获得具有独特有利性质的固体制品。如以下非常详细地讨论，添加碳促进烧结，而二硼化钛的形成使碳的浓度减小以获得包括非常坚硬、分散良好的Ti B₂相的微结构。此外，本文表明，使用窄粒度分布B₄C粉末和使用闭孔率阈值下的烧结保温温度实现了后热等静压微结构，平均晶粒度达到原碳化硼粉末的原始中值粒度。

一种根据本发明的工艺包括加工基于碳化硼的粉末，由所述粉末形成生坯，对生坯应用热分解和高温分解步骤，无压烧结生坯以获得烧结成闭孔状态的坯体，冷却无压烧结体，并热等静压(HIPing)冷却的无压烧结体。

根据本发明的一个方面，粉末加工包括由碳化硼粉末、水溶性有机金属钛源(例如二羟基双(乳酸铵)钛(IV)，C₆H₁₀O₈Ti·2(NH₄))，和，在一些实施方案中，水溶性碳源(例如水溶性酚醛树脂)形成优选的含水浆料。然后喷雾干燥所述浆料以获得基于碳化硼的粒化粉末组合物，由涂有钛化合物的碳化硼颗粒组成，并且在一些使用碳源的实施方案中，由含碳化合物组成。

根据本发明的另一方面，碳化硼粉末可具有窄粒度分布。在一些情况下，窄粒度可使原材料的成本降低。另外，窄粒度分布可妨碍晶粒生长。在优选实施方案中，碳化硼粉末的中值粒度可能小于1μm。

根据本发明的又一方面，使基于碳化硼的粉末与作为喷雾干燥浆料的一部分的适合水溶性粘合剂混合。喷雾干燥、单轴向等静压后，再加热生坯以达到粘合剂的热分解、碳源的高温分解和二羟基双(乳酸铵)钛(IV)的分解以留下单一化载钛残渣，假定为二氧化钛。之后，使热分解和高温分解的生坯进行无压烧结以获得无压烧结体，无压烧结步骤任选包括中间热步骤以确保粉末中碳化硼颗粒的氧化硼涂层挥发。然后冷却无压烧结体，并且热等静压冷却的无压烧结体。