[发明专利]硼化钛-硼化锆-碳化硅自润滑复合陶瓷材料及制备方法

说明书

技术领域

    本发明属工程材料技术领域，具体地说是硼化钛-硼化锆-碳化硅自润滑复合陶瓷材料及制备方法。

背景技术

    在硼化物陶瓷中，TiB₂因其具有学多优良的性能，如熔点高、化学稳定性好、抗腐蚀能力好等，可广泛应用在耐高温件、耐磨件、耐腐蚀件以及其它特殊要求零件上。TiB₂是具有六方晶系C32 型结构的准金属化合物，其类似于石墨的硼原子层结构和钛外层电子构造决定了TiB₂ 具有良好的导电性和金属光泽，因而采用电加工的方法对其进行成型；在离子键和共价键的共同作用下，Ti 和B 在烧结过程中均很难发生迁移，因此TiB₂的原子自扩散系数很低，烧结性能较差，在复合陶瓷材料中，断裂韧性较低的缺陷限制了它的应用范围。

ZrB₂是六方晶系的C32准金属结构化合物，它具有高熔点、高硬度、高稳定性以及良好的导电、导热性和抗化学腐蚀性，因此在耐火材料、喷嘴、切削刀具和轴承行业有很大的发展前景。此外，ZrB₂具有良好的中子控制能力，可用于核工业。

SiC在不同物理化学环境下能形成不同的晶体结构，这些成分相同，形态，构造和物理特性有差异的晶体称为同质多象变体，SiC在工程中的增韧应用主要有SiC_p和SiC_w两类，SiC_p增韧陶瓷复合基材料属于一种弥散颗粒增强复合材料，这种复合材料各向同性，制备加工方法简单；SiC_p增韧机制有残余应力场增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转、裂纹分岔、裂纹桥连和裂纹钉扎等；SiC_p的增韧机理主要是在复合材料内部形成了内晶型结构，内晶型结构纳米复合陶瓷晶粒细化同时产生了次晶界，致使晶界数量大幅度增加，材料的强度和韧性也大幅提高，某些陶瓷甚至还表现出了超韧性。内晶型结构纳米复合陶瓷材料主要通过以下几个效应使陶瓷材料得以增强：①弥散相引入有效地抑制了基质晶粒生长和减轻了晶粒的异常长大；②弥散相或弥散相周围存在局部应力，这种应力是由基体与弥散相之间热膨胀失配而产生，并在冷却阶段产生了位错，纳米粒子钉扎或进入位错区使基本晶粒内产生潜晶界，使晶粒细化而减弱主晶界的作用；③纳米粒子周围的局部拉伸应力诱发穿晶断裂，并由于硬粒子对裂纹尖端的反射作用而产生韧化；④纳米粒子高温牵制位错运动，使高温力学性能如硬度、强度及抗蠕变性得到改善。

SiC晶须(SiC_w)是一种直径为纳米级至微米级的具有高度取向性的单晶纤维，晶体结构与金刚石相类似，晶体内化学杂质少，无晶粒边界，晶体结构缺陷少，结晶相成分均一，具有高熔点(＞2700℃)、低密度(3.21g/cm³)、高强度(抗拉强度为16GPa)、高弹性模量(弹性模量为440GPa)、低热膨胀率以及耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化能力强等特性，作为一种优良的补强增韧剂，碳化硅晶须已经被用于增强多种陶瓷基复合材料。

因此，在TiB₂陶瓷基体中引入适当比例的ZrB₂与SiC相复合可进一步改善工程陶瓷材料的综合力学性能，扩大其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于进一步提高陶瓷刀具、轴承和喷嘴材料的综合力学性能，提供一种具有高强度、高韧性的自润滑复合材料及制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

硼化钛-硼化锆-碳化硅自润滑复合陶瓷材料，该陶瓷材料以粉末状的TiB₂作为基体材料，ZrB₂为强化相，SiC为增韧相配料，其中各组分的体积百分比为：TiB₂ 55.0~85.0%、ZrB₂ 10.0~40.0%、SiC 5.0%。

一种制备如上所述的硼化钛-硼化锆-碳化硅自润滑复合陶瓷材料的方法，包括以下步骤：

步骤一：初次球磨

将TiB₂、ZrB₂和SiC原料分别放入球磨罐中，以无水乙醇为介质，球磨90~110h，然后在140~160℃条件下真干燥22~26h后过筛，得细化粉末，备用；

步骤二：配料、搅拌及二次球磨