[发明专利]一种钽基金属陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及金属陶瓷材料技术领域，公开了一种钽基金属陶瓷材料及其制备方法，该钽基金属陶瓷材料中金属相为Ta，陶瓷相为Ta₂C，陶瓷相Ta₂C的含量为1.0wt.%~6.5wt.%且分布在金属相Ta晶粒外围。制备方法包括：将一定比例的钽粉与碳化钽粉进行球磨混合，然后将混合粉体进行放电等离子烧结致密化，冷却后即可得到钽基金属陶瓷材料。本发明的钽基金属陶瓷材料强度高，延展性良好；本发明的制备方法工艺简单，成本低，易实现工业化生产。

技术领域

本发明涉及金属陶瓷材料技术领域，尤其是一种钽基金属陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

难熔金属钽具有熔点高、塑性佳、耐腐蚀、可加工焊接及生物相容性好等优异特性，被广泛应用于航空航天、电子行业、化学化工、武器装备及生物医疗等领域。但钽在实际应用过程中，特别是作为高温结构材料应用在航空航天发动机喷管、燃烧室等领域时，还存在强度较低的问题，这严重制约了钽的发展与运用。

为提高难熔金属钽的强度，已报道的方法主要包括两种：合金固溶强化法和第二相粒子弥散强化法。其中，合金固溶强化法主要是通过往金属钽中添加其他金属元素如钨、铪、铼等形成钽基固溶合金。第二相粒子弥散强化法主要是通过往金属钽中添加第二相粒子如TiC、HfC、TaCr₂等形成弥散分布的钽基金属复合材料。这两种方法的增强原理都是通过在金属钽内部均匀引入异质相阻碍位错传播而提高钽的强度，这虽然在一定程度上提高了钽的强度，但同时也造成钽的延展性下降，从而易导致钽变形能力不足而发生脆性失效。此外，异质相在金属钽内部的均匀分布通常需要复杂技术工艺和条件，最终导致成本高，不适宜规模化生产要求。

发明内容

针对现有技术中基于引入均匀分布异质相原理提高金属钽强度但却造成钽塑性下降问题，本发明提供一种钽基金属陶瓷材料及其制备方法，本发明以钽粉（Ta）和碳化钽粉（TaC）为原料，通过球磨混合和放电等离子烧结，使得部分Ta与TaC发生反应生成Ta₂C，得到钽粉外围形成Ta₂C陶瓷相的钽基金属陶瓷材料，本发明提供的钽基金属陶瓷材料具有高强度和良好的延展性。

本发明提供了一种钽基金属陶瓷材料，所述钽基金属陶瓷材料中金属相为Ta，陶瓷相为Ta₂C，且Ta₂C的含量为1.0wt.%~6.5wt.%，且所述陶瓷相Ta₂C分布在金属相Ta晶粒外围。

本发明的钽基金属陶瓷材料同时具有高强度和良好的延展性。

本发明还提供一种钽基金属陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将钽粉和碳化钽粉进行球磨混合，得到混合粉体；制备混合粉体的目的是通过球磨混合使得所述碳化钽粉均匀分布在钽粉表面，一方面使得碳化钽与钽能够在后续过程中充分反应转化成Ta₂C，另一方面为后续实现陶瓷相Ta₂C仅分布在金属相Ta晶粒周边而非内部奠定基础。

（2）将混合粉体进行放电等离子烧结，即得到钽基金属陶瓷材料，放电等离子烧结是为促进混合粉体的快速烧结致密化，同时使得混合粉体中的部分金属钽与碳化钽TaC发生反应生成Ta₂C，最终得到高致密的钽基金属陶瓷材料。

进一步的，上述钽粉平均粒径为10~100μm；碳化钽粉平均粒径为0.1~1μm；所述碳化钽与钽的质量比为1:（30~170）。设置碳化钽粉与钽粉的质量比范围，其目的是保证碳化钽完全反应转化为Ta₂C，又保证钽仅少量反应而大部分保留在钽基金属陶瓷材料中。

进一步的，上述步骤（1）中，所述球磨混合中采用充氩气气氛保护，球磨的球料比（3~5）:1，球磨速度为200~400转/分钟，球磨时间为1~4h。球磨混合条件设置是为了使细小的碳化钽粉充分均匀分布在较大的钽粉表面，同时又不造成钽粉发生大变形或破碎。