[发明专利]一种TiB2强化的MgAlB14超硬材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种TiB₂强化的MgAlB₁₄超硬材料的制备方法。

背景技术

MgAlB₁₄是2000年美国Ames国家实验室首先发现的一种硼化物超硬材料，其晶体结构为含有B₁₂二十面体的正交结构。MgAlB₁₄的维氏硬度达到32-46GPa，是一种硬度仅次于金刚石的超硬材料，可广泛应用于热电器件、光电探测器、中子掩蔽体等领域。研究表面，一定量的TiB₂的加入可以较大程度的提高材料的性能，维氏硬度由加入TiB₂前的28GPa提高至加入后的37GPa。

目前，直接混合烧结法是合成MgAlB₁₄材料的主要方法，美国Ames国家实验室在文献中(B.A.Cook et al.Scr.Mater.42(2000)597)报道的工艺过程为：将镁粉(99.99％)、铝粉(99.99％)和硼粉(99.99％)按照Mg:Al:B＝1:1:14的化学计量比混合研磨，压制成型后，将压坯密封于Ta管中，然后在1300-1500℃条件下反应1500小时以上，最终获得MgAlB₁₄超硬材料。该烧结工艺过程虽然简单，但是长时间的热处理不但消耗了大量电能，而且容易引入环境中的氧，导致大量MgAl₂O₄杂相产生。同时，Ames国家实验室也研究了TiB₂的引入对MgAlB₁₄材料性能的影响，其工艺过程为：首先将镁粉、铝粉和硼粉按Mg:Al:B＝1:1:14的原子比配料、振动球磨12h达到机械合金化，然后加入纯度为99.5％、粒度为45μm的TiB₂成相粉末，球磨30min，再将混合粉磨置于1400℃恒温1h后，氩气保护进行热挤压，最终制得TiB₂强化的MgAlB₁₄材料。该方法不但工艺过程复杂，需要昂贵的设备，而且球磨过程中容易引入Fe杂质，同时TiB₂相分布不均匀，导致合成的MgAlB₁₄材料性能不稳定。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种通过原位引入TiB₂使得MgAlB₁₄超硬材料的硬度得到强化的MgAlB₁₄超硬材料的制备方法。该方法不但可以降低MgAlB₁₄材料的合成温度、缩短合成时间，降低MgAlB₁₄材料中杂相含量，节约电能，而且一定量TiB₂的加入，能够较大幅度的提高MgAlB₁₄材料的纯度和维氏硬度。

为了证明TiB₂强化的MgAlB₁₄新合成方法的可行性，本专利发明人对Mg-Al-B-Ti体系的成相物理化学过程进行了深入研究，发现Mg-Al-B-Ti体系在800-1100℃范围内存在着Mg₆AlB₁₄和MgAlB₁₄、TiB₂三个热力学稳定相，而且Mg₆AlB₁₄在100-10^-3Pa的压力条件下和800-1100℃范围内，由于Mg的挥发，可以分解生成MgAlB₁₄，而在相同的压力和温度条件下，TiB₂相很稳定，不会分解。因此，可以采用下述方法获得TiB₂强化的MgAlB₁₄材料：将镁粉、铝粉、硼和钛粉末按照Mg:Al:B:Ti＝6:1:14+2x:x(其中0.4≤x≤1.4)的比例充分混合，压制成片或块，在等于大气压条件下烧结，制备出Mg₆AlB₁₄(TiB₂)_x。然后在100-10^-3Pa的压力条件下，于800-1100℃保温10-50h，使Mg₆AlB₁₄(TiB₂)_x分解，最终获得TiB₂强化的MgAlB₁₄材料。