[发明专利]一种硼化锆-碳化钨钛自润滑复合陶瓷材料的制备方法

说明书

一、技术领域

本发明属工程材料技术领域，特别涉及一种硼化锆-碳化钨钛自润滑复合陶瓷材料的制备方法。

二、背景技术

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、切削刀具和模具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。但由于ZrB₂陶瓷材料自身烧结致密化较困难，抗弯强度、断裂韧性较低的缺陷限制了它的应用范围，常常因破损而失效。为了改善ZrB₂陶瓷的力学性能，Melendez-Martinez开发了ZrB₂/Ni复合陶瓷材料，断裂韧性可达到2.8～3.5MPa·m^1/2，抗弯强度可达到351～371MPa，但仍然不能满足很多工程需求(Journal of the European Ceramic Society，2002，22：2543-2549)。Monteverde的研究表明：在ZrB₂陶瓷材料中加入SiC可以改善其超高温下(1200℃～1600℃)的性能，但常温下的断裂韧性仍然比较低，仅为3.3～4.0MPa·m^1/2(Materials Science and Engineering A，2008，485：415-421)。ZrB₂属于含硼系列陶瓷，在摩擦高温(800℃～1000℃)驱动下能生成溶解有其它元素的硼的氧化物润滑膜，可以实现自润滑，是一种很好的自润滑材料(Acta Materialia，2007，55：5999-6010)。然而，断裂韧性较低的缺陷，明显地限制了ZrB₂陶瓷材料在实际生产中的应用。最近研究表明：(W，Ti)C的加入可以有效提高复合陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性，明显改善其力学性能。Al₂O₃/(W，Ti)C复合材料，断裂韧性和抗弯强度分别达到6.55MPa.m^1/2和840MPa，相对于Al₂O₃单相陶瓷，其断裂韧性和抗弯强度分别提高了91.5％和124.5％(中国机械工程，2009，(22)：2751-2754)。因此，在ZrB₂陶瓷基体中引入(W，Ti)C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。

三、发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有高强度、高韧性的硼化锆-碳化钨钛自润滑复合陶瓷材料的制备方法。

本发明是通过以下方式实现的。

本发明的一种硼化锆-碳化钨钛自润滑复合陶瓷材料制备方法，该材料主要包括ZrB₂、(W，Ti)C和ZrO₂，其特征是通过以下方法制备：

(1)初次球磨工艺：先分别将ZrB₂原料和(W，Ti)C原料以无水乙醇为介质湿式球磨100小时，然后在150℃下用真空干燥箱干燥24h后过筛，得到较均匀的细化粉末；

(2)配料、搅拌及二次球磨工艺：以初次细化的ZrB₂作为基体材料，(W，Ti)C为强化相，ZrO₂为增韧相，添加MgO助烧剂；各组分的体积百分比为：ZrB₂45.2～82.1％，(W，Ti)C 10.0～50.0％，ZrO₂ 3.8～6.9％，MgO 1.0％；将配置好的混合原料倒入以无水乙醇为介质的烧杯中，超声波振荡搅拌30分钟，混合料以无水乙醇为介质湿式球磨200小时，在150℃下用真空干燥箱干燥24h后过筛，得到适于烧结的均匀细化复合粉末；

(3)热压烧结：将混合好的复合粉末装如高强石墨模具中，然后在真空环境下热压烧结，烧结温度范围为1700～1800℃，压力为30MPa，保温时间为30～35分钟。