[发明专利]一种难熔金属碳化物固溶体粉末的低温制备方法

说明书

本发明涉及高温陶瓷材料技术领域，提供了一种难熔金属碳化物固溶体粉末的低温制备方法，用Ca、Al熔体或Ca‑Al熔体作为熔剂，和金属碳化物混合，在800～1400℃的温度下保温2～12小时,经酸浸后获得难熔金属碳化物固溶体粉末。本发明的有益效果：采用金属熔体作为熔剂，液相的金属熔体可作为碳化物之间的扩散通道，大大提高反应速率，同时液相环境有利于产品成分分布均匀，使得低温下也能制备单相难熔金属碳化物固溶体；本发明所需温度远低于高温固溶法，对设备要求低，能耗小,易于工业化生产；相比于碳热还原法，本发明所需温度更低，且不存在产品物相不均匀的问题；由于单质钙、铝具有强脱氧能力，可进一步提高产品纯度。

技术领域

本发明涉及高温陶瓷材料技术领域，特别涉及一种难熔金属碳化物固溶体粉末的低温制备方法。

背景技术

难熔碳化物是一种由碳原子进入难熔金属晶格间质点形成的金属间化合物，同时具有共价固体、离子晶体和难熔金属的特性，被广泛应用于钻头工具、采矿作业及高温部件领域。由于TiC、ZrC、HfC、VC、NbC、TaC、CrC、MoC、WC等难熔碳化物具有相同的NaCl型面心立方晶系，在高温下可相互固溶形成单相的难熔金属碳化物固溶体，如二元碳化物HfxTa1-xC、三元碳化物(Ti,Zr,Nb)C、高熵碳化物(Ti,Zr,Hf,Nb,Ta)C、(Zr,Hf,Nb,Ta,Mo)C等。

这种多元碳化物是近年来新发现的一种碳化物，具有优异的硬度、高熔点、良好的耐磨性和良好的生物相容性，在超高温、生物医学和能源领域有着广阔的应用前景，极大地丰富了难熔碳化物陶瓷体系。HfxTa1-xC由于熔点高于HfC或TaC，引起了研究者们的广泛关注。据报道，Ta4HfC₅熔点在已知碳化物中最高，高达4215℃，已被用于航空和军事工业。TiZrHfNbTaC₅由于具有优良的生物相容性，成功在医学上被作为金属植入物所使用。

目前过渡族金属碳化物的主流合成技术为高温固溶法。高温固溶法通过直接加热对应碳化物的混合粉或者对应元素的单质混合粉形成固溶体来制备HEC陶瓷。该工艺形依靠高温下碳化物互相之间缓慢的固体扩散形成固溶体，所需温度往往高于2200℃，对设备要求高，时间长，能耗大，且原料不容易混合均匀,产物粉体粒径粗大。部分研究者对此工艺进行了改进，提出了碳热还原法，如公开号为CN201910411748.3的专利所公开的方法是：采用TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Nb₂O₅、WO₃、Ta₂O₅和碳黑为原料，直接高温碳热还原反应制备得到(Ti_0.2Zr_0.2Hf_0.2Nb_0.1W_0.1Ta_0.2)C固溶体。该工艺所需温度略低，在1800℃之上即可进行，但该温度仍然较高，同样存在原料难以混合均匀的问题，且制备的产品氧含量较高，游离碳含量难以控制。如文献(Li F,Lu Y,Wang X G,et al.Liquid precursor-derived high-entropy carbide nanopowders[J].Ceramics International,2019,45(17):22437-22441.)所提出的液相前驱体法是：采用难熔金属卤化物和糠醇得到液相前驱体,首先在1400℃真空下经碳热还原，然后在2000℃下固溶处理获得(Ti_0.2Zr_0.2Hf_0.2Nb_0.2Ta_0.2)C固溶体。该工艺解决了均匀性的问题，但所需温度仍然较高，游离碳难以控制。同时，该方法的生产规模小，难以实现工业化生产，且工艺中氯化物的排放还会带来环境污染的问题。

发明内容