[发明专利]一种超细晶高热稳定碳化硼陶瓷材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超细晶高热稳定碳化硼材料的制备方法，具体涉及一种含稀土晶粒长大抑制剂和金属间铝化物增韧的碳化硼陶瓷材料。

背景技术

碳化硼（分子式为B₄C，又名一碳化四硼，通常为灰黑色粉末），其熔点2350℃且具有超高硬度，是继金刚石、立方氮化硼之后已知的第三种最硬材料，其莫氏硬度为9.3。基于上述优点粉末状碳化硼可应用于硬质材料的磨削、研磨、钻孔及抛光；且由于其耐酸腐蚀性能好、密度低等特点碳化硼还可以作为军舰和直升机的陶瓷涂层。

碳化硼一种极其重要的应用则是用作陀螺仪动压马达的轴承材料。在飞机、舰船、导弹、航天飞行器等运载体的惯性制导系统中，陀螺仪的基本功能是用来敏感角位移和角速度的敏感器。碳化硼用作气浮陀螺轴承始于1965年英国史密斯仪表公司的700系列陀螺，取代了该公司的300系列滚珠轴承速率陀螺。致密碳化硼具有良好物理化学特性的热压陶瓷材料，硬度仅次于金刚石，重量比铝轻，有良好的抗磨性和摩擦性，由碳化硼制成的轴承已在史密斯工业集团的陀螺仪上广泛使用了多年。

碳化硼气体动压轴承稳定工作时“悬浮”在气体中，摩擦阻力和磨损是很小的，但在启动和停止时，碳化硼轴承和碳化硼轴套形成一套滑动自摩擦副。目前碳化硼轴承材料存在以下技术难题：

（1）碳化硼陀螺仪轴承用碳化硼陶瓷的要求是细晶、耐磨、高热稳定性，但目前传统方法制备工艺，加入添加剂的无压烧结或热压烧结，烧结过程晶粒长大，大于3μm，导致断裂韧性、硬度、耐磨性差性能；

（2）粗晶碳化硼自摩擦系数大，将导致马达在额定启动电压下不能启动，是妨碍其启停寿命的关键：粗晶碳化硼自摩擦副的磨损大，造成轴和轴套装配间隙的改变，会改变气体动压膜的性能，影响陀螺仪的精度。

（3）即使改进烧结工艺获得细晶碳化硼材料，晶粒＜2μm，碳化硼作为热端部件使用时，如摩擦产热升温会继续导致晶粒长大，导致性能变差。

发明内容

针对上述碳化硼材料制备过程中的不足，本发明提供一种超细晶高热稳定碳化硼材料及制备方法

碳化硼陶瓷成分为：B₄C-Ni₃Al/Fe₃Al-La₂O₃/Pr₂O₃。作用：Ni₃Al/Fe₃Al铁铝金属间化合物在低温下表现出一种低温脆性的缺点，但在高温条件下，铁铝金属间化合物则呈现出很高的强度，在碳化硼基体中渗杂一定量的Ni₃Al/Fe₃Al，不仅可以适应因碳化硼摩擦产热而出现的局部高温的材料工作环境，而且能够很好的增加B₄C陶瓷的韧性；La₂O₃/Pr₂O₃：晶粒长大抑制剂，位于碳化硼晶粒边界，降低晶界能，抑制晶粒长大。

制备方法：

（1）以粒度<=20μm的B₄C陶瓷粉为原料，利用高能球磨细化碳化硼粉末，获得相对较细的碳化硼粉末颗粒，再利用沉降法选取其中1μm以下的超细碳化硼粉末；

（2）溶液共沉淀法制备La₂O₃/Pr₂O₃包覆B₄C复合粉末；

（4）添加Ni₃Al或Fe₃Al粉末制备B₄C-Ni₃Al/Fe₃Al-La₂O₃/Pr₂O₃复合粉末，球磨；

（5）加压烧结（热压或SPS）制备出碳化硼陶瓷材料。

超细晶高热稳定碳化硼制备的具体步骤和参数如下：

A、首先选取<=20μm的B₄C粉末作为原料粉末，以10-20：1的球料比将其置于行星式球磨机中球磨，以200-400转/min的转速球磨50-100h后取出。