CN104911434B

CN104911434B - 一种碳化物增强Mo2NiB2金属陶瓷及其制备方法

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Publication number: CN104911434B
Application number: CN201510292589.1A
Authority: CN
Inventors: 李文虎; 艾桃桃; 于琦; 邹祥宇; 徐峰; 冯小明
Original assignee: Shaanxi University of Technology
Current assignee: Shaanxi University of Technology
Priority date: 2015-06-01
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2035-06-01
Also published as: CN104911434A

Abstract

本发明公开了一种碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷及其制备方法，以Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉为原料，按照质量比为Ni:B:Mo:C＝(21～45):6:(44～63):(5～10)进行配料，然后将Mo粉和石墨粉装入球磨罐中，充入惰性气体后进行机械合金化，然后加入B粉和Ni粉，混合均匀，得到混合粉体；将混合粉体放入模具中模压成型，得到坯体，将坯体放入真空烧结炉中进行无压烧结，烧结温度为1200℃～1400℃，然后随炉冷却，得到碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷。该方法制备周期短、工序简单、材料利用率高、成本低，制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷结构致密，力学性能良好，具有良好的应用前景。

Description

一种碳化物增强Mo2NiB2金属陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于金属陶瓷材料及粉末冶金技术领域，涉及一种复相陶瓷材料，具体涉及一种碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷及其制备方法。

背景技术

金属陶瓷是现代工业中的一类重要陶瓷材料，金属陶瓷的发展对航天、航空、汽车及能源等工业领域的发展起着举足轻重的作用。目前在涡轮发动机、喷气发动机和热交换器等产品中广泛采用的高温结构材料是镍基超合金，但目前镍基超合金的服役温度(～1100℃)已达到了其熔点的85％，即镍基超合金已经难以满足进一步提高系统工作温度的要求。同时，随着航天航空和先进能源工业的快速发展，对高温结构材料的高温力学性能和抗氧化性能提出了更高、更苛刻的要求，因此各国科学家加快了对可承受更高工作温度环境的下一代高温结构材料的研究进度，目前的研究结果表明，Mo-Ni-B金属陶瓷是有潜力取代镍基超合金、成为下一代高温结构材料的最佳候选材料之一。

作为高温结构材料使用的金属陶瓷取得工业广泛应用的前提条件是该合金具有良好的室温韧性(保证可加工性能)、高的高温强度、抗氧化性能和耐腐蚀性能(延长产品的使用寿命)。以Mo₂NiB₂硬质相为代表的一类硼化物金属陶瓷具有优良的耐磨耐腐蚀性、耐高温性以及较高的硬度和导电率，在耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化等领域有着广阔的应用前景。

目前，采用原位反应生成碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷材料的研究尚无报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷及其制备方法，该方法工艺简单，制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷具有良好的力学性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

1)以Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉为原料，按照质量比为Ni:B:Mo:C＝(21～45):6:(44～63):(5～10)进行配料，然后将Mo粉和石墨粉装入球磨罐中，充入惰性气体后进行机械合金化，然后加入B粉和Ni粉，混合均匀，得到混合粉体；

2)将混合粉体放入模具中模压成型，得到坯体，将坯体放入真空烧结炉中进行无压烧结，烧结温度为1200℃～1400℃，然后随炉冷却，得到碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷。

所述的Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉的纯度大于等于99.9％。

所述的Mo粉与石墨粉的粒度≤20μm，B粉与Ni粉的粒度≤50μm。

所述步骤1)中机械合金化的时间为24.5～25.5h。

所述步骤1)中混合均匀的时间为5～10h。

所述步骤2)中模压成型的成型压力为150～300MPa。

所述步骤2)中在进行无压烧结时，以5～10℃/min的升温速度从室温升至烧结温度，在达到烧结温度后不进行保温，直接随炉冷却。

所述步骤2)中无压烧结时的真空度≤10^-2Pa。

制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷，其为复相金属陶瓷，包括基相和增强相，且增强相在基相中弥散分布，其中基相为Mo₂NiB₂，增强相为通过原位反应生成的Mo₂C。

其致密度为97.1～98.88％，三点弯曲强度为1660～1800MPa，断裂韧性为26.6～28.9MPa·m^1/2，硬度为85.1～88HRA，800～1000℃抗氧化性能为完全抗氧化。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷的制备方法，利用Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉之间的原位反应获得碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷，制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷由基体相和增强相组成。该方法制备周期短、工序简单、材料利用率高、成本低，制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷结构致密，力学性能良好。利用Mo粉和石墨粉的机械合金化得到增强相，并利用无压烧结使增强相弥散分布在基相中，从而提高制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷的性能。该方法在烧结温度下无需保温处理，即可制得碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷，这是由于在烧结之前通过机械合金化预合成了碳化钼(Mo₂C)相，并且在烧结的升温过程中，在1200～1400℃的烧结温度下，材料体系(胚体)内产生部分液相，使Mo₂NiB₂基金属陶瓷已逐步反应完全，若再进行保温处理，反而会使Mo₂C与Mo₂NiB₂晶粒过度长大，从而恶化材料的性能。而且本发明中通过调控Mo粉与石墨粉的比例，能够调控生成的增强相的量，从而获得不同力学性能的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷。该方法制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷不需要或只需要少量的后续加工，非常适合于工业生产，有望实现Mo₂NiB₂金属陶瓷材料的工程应用。

本发明制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷为复相金属陶瓷，包括基相和增强相，且增强相在基相中弥散分布，无其它杂质相存在，其中基相为Mo₂NiB₂，增强相为通过原位反应生成的Mo₂C，增强相通过原位反应在基相中生成，这样能够大大发挥增强相的增强作用，使得制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷具有良好的力学性能，有助于其在工业中广泛应用。

进一步的，本发明制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷的相对密度较高，主要力学性能指标优异(最高致密度达到98.88％，最高三点抗弯强度达到1800MPa，最高断裂韧性达到28.9MPa·m^1/2，最高硬度达到88HRA)，并且800～1000℃抗氧化性能评定为完全抗氧化，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷的SEM图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

1)选用纯度不低于99.9％的Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉为主要原料，按照质量比为Ni:B:Mo:C＝(21～45):6:(44～63):(5～10)进行配料，要求Mo粉与石墨粉的粒度≤20μm，B粉与Ni粉的粒度≤50μm。

将Mo粉和石墨粉装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化，时间为24.5～25.5h，然后加入B粉和Ni粉，混合5～10h，得到混合粉体。

2)取出混合粉体，在金属模具中进行模压成型，得到坯体，成型压力为150～300MPa。

将模压成型的坯体放入真空烧结炉中进行无压烧结，真空度≤10^-2Pa，从室温以5～10℃/min的升温速度升温至1200～1400℃的烧结温度，在达到烧结温度后不保温，直接随炉冷却，得到碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷。

通过上述方法制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷为复相金属陶瓷，包括基相和增强相，且增强相在基相中弥散分布，其中基相为Mo₂NiB₂，增强相为通过原位反应生成的Mo₂C。该碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷的致密度为97.1～98.88％，三点弯曲强度为1660～1800MPa，断裂韧性为26.6～28.9MPa·m^1/2，硬度为85.1～88HRA，800～1000℃抗氧化性能为完全抗氧化。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

1)选用纯度不低于99.9％的Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉为主要原料，要求Mo粉与石墨粉的粒度≤20μm，B粉与Ni粉的粒度≤50μm，按照质量比为Ni:B:Mo:C＝41:6:48:5进行配料。

将Mo粉和石墨粉装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化，时间为25h，然后加入B粉和Ni粉，混合10h，得到混合粉体。

2)取出混合粉体，在金属模具中进行模压成型，得到坯体，成型压力为150MPa。

将模压成型的坯体放入真空烧结炉中进行无压烧结，真空度≤10^-2Pa，从室温以10℃/min的升温速度升温至1240℃的烧结温度，在达到烧结温度后不保温，直接随炉冷却，得到碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷。

对实施例1制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷进行性能测试，其致密度为97.1％，三点弯曲强度为1660MPa，断裂韧性为26.9MPa·m^1/2，硬度为85.1HRA，800℃抗氧化性能评定为完全抗氧化。

实施例2

1)选用纯度不低于99.9％的Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉为主要原料，要求Mo粉与石墨粉的粒度≤20μm，B粉与Ni粉的粒度≤50μm，按照质量比为Ni:B:Mo:C＝32.7:6:53.3:8进行配料。

2)取出混合粉体，在金属模具中进行模压成型，得到坯体，成型压力为180MPa。

将模压成型的坯体放入真空烧结炉中进行无压烧结，真空度≤10^-2Pa，从室温以10℃/min的升温速度升温至1260℃的烧结温度，在达到烧结温度后不保温，直接随炉冷却，得到碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷。

对实施例2制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷进行性能测试，其致密度为97.6％，三点弯曲强度为1688MPa，断裂韧性为26.7MPa·m^1/2，硬度为86.6HRA，800℃抗氧化性能评定为完全抗氧化。

实施例3

1)选用纯度≥99.9％的Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉为主要原料，要求Mo粉与石墨粉的粒度≤20μm，B粉与Ni粉的粒度≤50μm，按照质量比为Ni:B:Mo:C＝25.5:6:58.5:10进行配料。

2)取出混合粉体，在金属模具中进行模压成型，得到坯体，成型压力为220MPa。

将模压成型的坯体放入真空烧结炉中进行无压烧结，真空度≤10^-2Pa，从室温以10℃/min的升温速度升温至1350℃的烧结温度，在达到烧结温度后不保温，直接随炉冷却，得到碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷。

对实施例3制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷进行性能测试，其致密度为98.2％，三点弯曲强度为1720MPa，断裂韧性为26.6MPa·m^1/2，硬度为87.4HRA，800℃抗氧化性能评定为完全抗氧化。

实施例4

1)选用纯度不低于99.9％的Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉为主要原料，要求Mo粉与石墨粉的粒度≤20μm，B粉与Ni粉的粒度≤50μm，按照质量比为Ni:B:Mo:C＝45:6:44:5进行配料。

将Mo粉和石墨粉装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化，时间为24.5h，然后加入B粉和Ni粉，混合5h，得到混合粉体。

2)取出混合粉体，在金属模具中进行模压成型，得到坯体，成型压力为250MPa。

将模压成型的坯体放入真空烧结炉中进行无压烧结，真空度≤10^-2Pa，从室温以5℃/min的升温速度升温至1200℃的烧结温度，在达到烧结温度后不保温，直接随炉冷却，得到碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷。

实施例5

1)选用纯度不低于99.9％的Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉为主要原料，要求Mo粉与石墨粉的粒度≤20μm，B粉与Ni粉的粒度≤50μm，按照质量比为Ni:B:Mo:C＝21:6:63:10进行配料。

将Mo粉和石墨粉装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化，时间为25.5h，然后加入B粉和Ni粉，混合8h，得到混合粉体。

2)取出混合粉体，在金属模具中进行模压成型，得到坯体，成型压力为300MPa。

将模压成型的坯体放入真空烧结炉中进行无压烧结，真空度≤10^-2Pa，从室温以8℃/min的升温速度升温至1400℃的烧结温度，在达到烧结温度后不保温，直接随炉冷却，得到碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷。

实施例6

1)选用纯度不低于99.9％的Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉为主要原料，要求Mo粉与石墨粉的粒度≤20μm，B粉与Ni粉的粒度≤50μm，按照质量比为Ni:B:Mo:C＝26:6:61:7进行配料。

将Mo粉和石墨粉装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化，时间为24.7h，然后加入B粉和Ni粉，混合6h，得到混合粉体。

2)取出混合粉体，在金属模具中进行模压成型，得到坯体，成型压力为280MPa。

将模压成型的坯体放入真空烧结炉中进行无压烧结，真空度≤10^-2Pa，从室温以7℃/min的升温速度升温至1300℃的烧结温度，在达到烧结温度后不保温，直接随炉冷却，得到碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷。

实施例7

1)选用纯度不低于99.9％的Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉为主要原料，要求Mo粉与石墨粉的粒度≤20μm，B粉与Ni粉的粒度≤50μm，按照质量比为Ni:B:Mo:C＝39:6:46:9进行配料。

将Mo粉和石墨粉装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化，时间为24.8h，然后加入B粉和Ni粉，混合7h，得到混合粉体。

2)取出混合粉体，在金属模具中进行模压成型，得到坯体，成型压力为200MPa。

将模压成型的坯体放入真空烧结炉中进行无压烧结，真空度≤10^-2Pa，从室温以9℃/min的升温速度升温至1380℃的烧结温度，在达到烧结温度后不保温，直接随炉冷却，得到碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷。

实施例8

1)选用纯度不低于99.9％的Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉为主要原料，要求Mo粉与石墨粉的粒度≤20μm，B粉与Ni粉的粒度≤50μm，按照质量比为Ni:B:Mo:C＝37.5:6:51:5.5进行配料。

将Mo粉和石墨粉装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化，时间为25.2h，然后加入B粉和Ni粉，混合9h，得到混合粉体。

2)取出混合粉体，在金属模具中进行模压成型，得到坯体，成型压力为240MPa。

将模压成型的坯体放入真空烧结炉中进行无压烧结，真空度≤10^-2Pa，从室温以6℃/min的升温速度升温至1320℃的烧结温度，在达到烧结温度后不保温，直接随炉冷却，得到碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷。

实施例9

1)选用纯度不低于99.9％的Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉为主要原料，要求Mo粉与石墨粉的粒度≤20μm，B粉与Ni粉的粒度≤50μm，按照质量比为Ni:B:Mo:C＝32.5:6:55:6.5进行配料。

将Mo粉和石墨粉装入高能球磨罐中，充入氩气后进行机械合金化，时间为25.3h，然后加入B粉和Ni粉，混合8.5h，得到混合粉体。

2)取出混合粉体，在金属模具中进行模压成型，得到坯体，成型压力为260MPa。

将模压成型的坯体放入真空烧结炉中进行无压烧结，真空度≤10^-2Pa，从室温以8.5℃/min的升温速度升温至1280℃的烧结温度，在达到烧结温度后不保温，直接随炉冷却，得到碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷。

Claims

1.一种碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉为原料，按照质量比为Ni:B:Mo:C＝(21～45):6:(44～63):(5～10)进行配料，然后将Mo粉和石墨粉装入球磨罐中，充入惰性气体后进行机械合金化，然后加入B粉和Ni粉，混合均匀，得到混合粉体；其中机械合金化的时间为24.5～25.5h；混合均匀的时间为5～10h；

2)将混合粉体放入模具中模压成型，得到坯体，将坯体放入真空烧结炉中进行无压烧结，烧结温度为1200℃～1400℃，然后随炉冷却，得到碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷；其中在进行无压烧结时，以5～10℃/min的升温速度从室温升至烧结温度，在达到烧结温度后不进行保温，直接随炉冷却。

2.根据权利要求1所述的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述的Mo粉、B粉、Ni粉和石墨粉的纯度大于等于99.9％。

3.根据权利要求1所述的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述的Mo粉与石墨粉的粒度≤20μm，B粉与Ni粉的粒度≤50μm。

4.根据权利要求1所述的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中模压成型的成型压力为150～300MPa。

5.根据权利要求1所述的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中无压烧结时的真空度≤10^-2Pa。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷的制备方法制得的碳化物增强Mo₂NiB₂金属陶瓷，其特征在于：其为复相金属陶瓷，包括基相和增强相，且增强相在基相中弥散分布，其中基相为Mo₂NiB₂，增强相为通过原位反应生成的Mo₂C，其致密度为97.1～98.88％，三点弯曲强度为1660～1800MPa，断裂韧性为26.6～28.9MPa·m^1/2，硬度为85.1～88HRA，800～1000℃抗氧化性能为完全抗氧化。