[发明专利]氮化硼复相陶瓷及其烧结方法和应用

说明书

本申请是申请人为哈尔滨工业大学、申请号为201510689599.9、申请日为2015年10月21日、发明名称为“氮化硼复相陶瓷的过渡相辅助低温烧结方法”的分案申请。

技术领域

本发明属于氮化硼复相陶瓷材料领域，具体涉及氮化硼复相陶瓷及其烧结方法应用。

背景技术

随着世界经济和科技的飞速发展，带动航空航天、交通水利、城镇建设对金属材料的需求日益增长，特别是特种金属材料的冶炼和加工成为各国竞相发展的主要领域，每个国家都将其列入国计民生的重点发展领域。而特种金属冶炼技术对耐火材料提出了苛刻的要求，要求抗侵蚀性能强、无二次污染、优异的高温力学性能和高温使用稳定性。这就导致传统的高铝砖、高镁砖等耐火材料体系已经不能满足特殊工况需求，亟需新型的耐火材料的研制开发。

六方氮化硼材料，具有高温自润滑作用、热膨胀系数低、热导率高、抗热震性能好、高温化学稳定性良好、对凝固物的剥离性好、与熔融金属不浸润等优点，现已广泛应用于熔炼金属的坩埚、输送液体金属的管道以及浇铸模具等领域，能够满足对特殊冶炼工艺对高性能耐火材料的使用需求。但六方氮化硼为共价键化合物，具有熔点高、固相扩散系数低等本征特征。特别是六方片层结构在烧结中极易相互搭接形成卡片房结构，阻碍氮化硼颗粒之间的相互烧结。故氮化硼及其复合材料的烧结温度较高，烧结较为困难。常规的热压烧结需高温高压条件，大部分在1800～2000摄氏度，才能制备出满足使用性能要求的复相陶瓷材料，导致氮化硼复相陶瓷制品的制备成本较高，阻碍了氮化硼复相陶瓷材料在特种冶炼工业上的广泛应用和市场推广。尽管添加低熔点烧结助剂和原位固相反应等烧结工艺能够有效降低氮化硼复相陶瓷的烧结温度，降低生产成本，但所带来的低熔点相残留导致制品性能下降以及反应烧结不确定性，特别是材料组份受反应体系的制约，不能随意进行材料组份设计，难以满足实际工况对材料性能的要求。

发明内容

本发明是为了解决现有氮化硼复相陶瓷烧结温度高，制备得到的复相陶瓷晶粒粗大和力学性能差的问题，提供了一种氮化硼复相陶瓷的过渡相辅助低温烧结方法。

氮化硼复相陶瓷的过渡相辅助低温烧结方法如下：

一、将复合烧结助剂加入第一分散介质中，球磨10～48h后，在80℃～150℃温度下干燥10～48h，然后将干燥后的混合粉末过200目标准筛，得到复合烧结助剂粉末；

二、将复合烧结助剂粉末与氮化硼粉末按照体积比为(5～35):(65～95)的比例加入第二分散介质中，球磨10～48小时后，在80℃～150℃温度下干燥10～48h，过200目标准筛，得混合均匀的氮化硼复合粉末；

三、将氮化硼复合粉末在真空或惰性气氛条件下，以10～20℃/min的升温速率升温，在800℃～1000℃开始加压，在1000℃～1400℃时加压至20MPa～60MPa，并在1000℃～1500℃温度条件下保温保压1～5h，继续升温至1500℃～1700℃，保温保压1～5h后，再以15～20℃/min的降温速率降至室温，即得氮化硼复相陶瓷；

步骤一中所述复合烧结助剂为氧化物、硼化物及碳化物中的两种或三种的组合；

所述的氧化物为二氧化钛、三氧化二硼、三氧化钨及五氧化二钒中的一种或两种；

所述的硼化物为五硼化二钨或二硼化钛；

所述的碳化物为碳化钛、碳化硼、碳化硅、碳化钨或碳化钒；

步骤三中所述的惰性气氛为氮气气氛或氩气气氛。

步骤一中所述第一分散介质和/或所述步骤二中的所述第二分散介质可以独立地为无水乙醇质量分数为55％～95％的无水乙醇水溶液或无水乙醇。

所述二氧化钛可以为二氧化锆、二氧化铪或二氧化钽。

所述二硼化钛可以为二硼化锆、二硼化铪、二硼化钒或二硼化钽。

所述碳化钛可以为碳化锆、碳化铪、碳化钒或碳化钽。

步骤一中所述复合烧结助剂为氧化物、硼化物及碳化物中的三种组合时，氧化物、硼化物与碳化物的摩尔比为(0.5～5):(0.5～5):1。

本发明采用两段式烧结工艺，第一段为低温烧结阶段：特征在于两步法的烧结温度和加压时间与步骤一中所设计的复合烧结助剂存在对应关系，需在复合烧结助剂发生固相化学反应时的温度前后设计保温温度、保温时间、烧结压力、保压时间和烧结气氛的烧结工艺制度参数，完成复合粉末颗粒重排和气孔排除，复合粉末颗粒表面结晶化，有利于实现氮化硼复相陶瓷的初期烧结致密化；第二段为高温烧结阶段，高温烧结阶段可以进一步促进复合粉末颗粒之间的相互传质，有利于复合材料的致密化，调控显微组织结构。