[发明专利]石墨烯纳米片增韧TiB2

说明书

本发明公开了一种石墨烯纳米片增韧TiB₂基陶瓷刀具材料及其制备工艺。该材料组分质量配比为：硼化钛（TiB₂）：64.5‑74.9%，碳化钛（TiC）：25‑35%，石墨烯纳米片（GnS）：0.1‑0.5%。利用放电等离子烧结技术，在低温快速烧结条件下制备TiB₂基陶瓷刀具材料。本发明制得的TiB₂基陶瓷刀具材料不含金属粘结相、完全致密、且具有较高的断裂韧度和硬度，性能满足切削刀具的使用要求；同时本发明制备工艺先进，生产效率高，成本低，易于工业化生产，具有推广价值。

技术领域

本发明涉及放电等离子烧结材料技术领域，尤其涉及到一种石墨烯纳米片增韧TiB₂基陶瓷刀具材料及其制备工艺。

背景技术

作为一种超高温陶瓷，TiB₂具有高硬度、高弹性模量、耐磨损和良好的化学稳定性等优异的性能。TiB₂基陶瓷特别适宜于制造在恶劣环境中工作的耐磨损部件，其中TiB₂基陶瓷刀具在高速切削刀具中具有很强的应用潜力。然而，TiB₂陶瓷难烧结、脆性大又限制了其作为刀具在高速切削加工中的应用。

TiB₂熔点高达2980℃，自扩散系数小，且为共价键连接，这使得TiB₂陶瓷很难达到完全致密。为了获得高的致密度，现阶段TiB₂陶瓷刀具材料的制备多采用热压烧结。Zou（B.Zou et al. Mechanical properties and microstructure of TiB₂-TiC compositeceramic cutting tool material. International Journal of Refractory Metals andHard Materials 35 (2012) 1-9.）和Song（J. Song et al. 2014. Effects of TiCcontent and melt phase on microstructure and mechanical properties of ternaryTiB₂-based ceramic cutting tool materials. Materials Science and Engineering:A 605 (2014) 137-143.）分别采用热压烧结制备了TiB₂-TiC-Ni和TiB₂-TiC-WC-Ni-Mo陶瓷刀具材料，材料的相对密度分别达到99.4%和99.3%。

但是，为了获得高致密度，热压烧结通常需要高的烧结温度（1650-2100℃）、长的保温时间（0.5-2h）和低的升温速率（≤50℃/min），高温和长时间保温导致晶粒异常长大，不利于力学性能提高，同时长的烧结周期浪费能源，生产效率低。

现阶段为提高TiB₂陶瓷的致密度和力学性能，通常加入各种金属相（Ni, Mo, Co,Fe, Ti, Ta）。实验证明加入金属相后TiB₂陶瓷的烧结温度降低，相对密度可达99%以上，强度和断裂韧度也得到大幅度提高（Chlup et al. Effect of metallic dopants on themicrostructure and mechanical properties of TiB₂. Journal of the EuropeanCeramic Society 35 (2015) 2745-2754.）。一般来说，金属含量越多，TiB₂陶瓷的断裂韧度越大。然而，在高温环境下，由于金属软化，界面结合强度降低，晶界易产生滑移，造成TiB₂陶瓷的强度、断裂韧度、硬度急剧下降，刀具耐磨损和破损能力降低。因此，含金属相的TiB₂陶瓷并不是理想的高速切削刀具。

发明内容