[发明专利]一种TiB2-SiC-B4C三元超硬陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种TiB2‑SiC‑B4C三元超硬陶瓷材料及其制备方法，属于超硬陶瓷材料开发制备技术领域。所述由三元超硬陶瓷材料TiB2、SiC、B4C按体积百分比，TiB2：SiC：B4C=1~5：1：1组成。其制备方法为：将一定化学计量比的TiB2、B4C、SiC称重配料，球磨混料后采用放电等离子烧结工艺烧结制得TSB块状样品，样品经抛磨切削加工后得到TSB制品。本发明制备的TSB三元超硬材料，与金刚石、立方氮化硼、纯碳化硼等超硬陶瓷相比，具有制备方便、性能稳定且优越、成本低廉的优势。

技术领域

本发明涉及一种TiB2-SiC-B4C(TSB)三元超硬陶瓷材料及其制备方法，属于超硬陶瓷材料开发制备技术领域。

背景技术

超硬材料在磨具刀具、耐冲击部件等方面应用潜力巨大，也是推动工业发展不可或缺的先进材料之一。金刚石和立方氮化硼(cBN) 是最重要的两种超硬材料, 在20 世纪中叶相继实现了人工合成。 采用这两种超硬材料制造的各类超硬刀具、磨具、钻头等已在工业上得到了广泛应用，另外金刚石对顶砧作为超高压发生装置也在地球科学、高压物理和材料科学等研究领域中发挥着不可替代的作用。然而金刚石和cBN都存在着各自的不足。金刚石容易与铁基金属反应且热稳定性较差。当温度超过800℃时, 金刚石在空气中将发生石墨化从而丧失超硬特性。cBN热稳定性较好、适合加工铁基材料, 但硬度和断裂韧性明显偏低, 还不足金刚石的一半。此外，这两种超硬材料还存在着一个共同的弱点: 由于化学键的强共价性，金刚石和cBN粉体的烧结性极差。随着经济和高技术的蓬勃发展，全球对超硬材料的需求持续增长，预计到2030 年, 超硬材料全球市场将达到230亿美元。因此，合成出综合性能(硬度、强度、断裂韧性、热稳定性等) 更加优异的新型超硬材料就成为科学界和产业界共同追求的目标。

超硬材料的增韧机理主要是扩展和延伸裂纹或者改变裂纹的扩展方式，采用复合工艺是增韧的有效方法。为了兼顾材料的硬度和韧性，满足高性能刀具和耐冲击部件的需求，超硬复合材料的研究正受到越来越大的关注，成为陶瓷复合领域的热点方向。

最近Neuman[ Eric W Neuman, Harlan J Brown-Shaklee, Gregory E Hilmas, William G Fahrenholtz, Journal of American ceramic society, 2018,101: 497-501]等人采用热压烧结的TiB2-SiC-B4C三元超硬陶瓷材料，其最大维氏硬度达到53GPa(HV0.1kg)，稳定硬度在33GPa(HV1kg)左右，硬度接近立方氮化硼，断裂韧性4-6MPa·m^1/2，已经展现出巨大的应用潜力。但目前该类复合超硬材料主要采用的制备方法是热压烧结，存在烧结温度高，时间长，成本高，性能有待提高的难题，同时国内开展此类研究不多。

为降低碳化硼陶瓷的烧结温度，国内专利CN108751997A报道了一种B4C-TiB2-SiC复合陶瓷块体的制备方法，原材料采用粒径小于10μm的B4C粉，助烧剂采用粒径小于75μm的Ti3SiC2粉和粒径小于1μm的Si粉，原材料和助烧剂的成分重量比B4C：Ti3SiC2：Si=8.6-45.9：2.8：1，混料球磨后采用放电等离子反应烧结，得到B4C-TiB2-SiC复合陶瓷块，其成分为B4C 60-90wt.%，TiB2 5.9-23.9wt.%,SiC 4-16wt.%。该方法采用复杂的三级反应烧结，反应过程和反应产物成分不好控制，从实施例的结果看，制得的B4C-TiB2-SiC样品的硬度都低于纯碳化硼，综合性能有待提高。

发明内容

为了改进上述缺点，本发明优选B4C、TiB2和SiC三种原材料成分，采用一种新的快速放电等离子烧结工艺，通过快速升温加压，同时加上高电流活化粉末，样品快速成型，获得综合性能优异的三元TSB超硬陶瓷材料，降低制备成本，提高硬度。