CN111910136B - 一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷，按照体积百分比包括以下组分：骨架化分布的金属纤维2％～9％，微米级碳、氮化物晶粒60％～80％、亚微米级碳化物晶粒8％～24％和Fe粘结相6％～10％，以上各组分的体积百分比之和为100％，金属纤维为Ta纤维或Nb纤维，微米级碳、氮化物晶粒为微米级WC、WN、Cr2C3、CrN、TiC、TiN、SiC、SiN晶粒中的一种或多种，亚微米级碳化物晶粒为亚微米级NbC晶粒或TaC晶粒。本发明还公开了一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，采用该方法制备的三维纤维骨架韧化金属陶瓷既有传统碳化物陶瓷材料高强、耐磨、高硬度特点，同时具有良好的韧性和损伤容限性能，具有广阔的应用前景。

Description

一种三维纤维骨架韧化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技术领域，涉及一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷及其制备方法。
背景技术
金属陶瓷具有高熔点、高硬度、高化学稳定性等优点，是制备高速切削工具、喷气发动机叶片、火箭尾管、高温模具及耐磨部件的理想材料。但是金属陶瓷本身固有的高脆性严重限制着碳化物金属陶瓷进一步推广应用。目前，广泛应用的金属陶瓷主要以金属碳化物及氧化物为硬质相，以Co、Ni、Fe等金属相作为粘结相，其具有超高强度和硬度。但是，因为其较低的韧性和损伤容限，金属陶瓷的失效形式主要表现为突发性脆性断裂。以实际生产过程中的冷压碳化钨模具为例，其理论使用次数可达20000-30000次，但在实际使用过程中，由于周期性动态高、低载荷导致其在远低于理论使用次数时就发生开裂失效，其主要失效形式为脆性断裂。因此，虽然金属陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀等众多优点，但其高脆性、低可靠性，较低的抗机械冲击和热冲击能力，以及易发生无先兆性断裂失效，诸如此类缺点严重限制了金属陶瓷的应用。
专利号为CN 110468320 A的发明专利介绍了一种高硬度和高韧性的金属陶瓷及其制备方法和应用。该金属陶瓷是将TiC0.7N0.3，WC，Ni，Co，Mo2C和NbC混合后，通过球磨混料，通过加聚乙烯醇进行成型造粒，将造粒后的粉末预压成型，采用等离子烧结，施加25～30MPa的压力，升温至1700～1800℃进行烧结制得。本发明改善金属陶瓷的力学性能，提高金属陶瓷的红硬性和抗热冲击能力。但是，所述金属陶瓷强韧化还是以金属粘结相和第二相粒子强韧化为主。因此，其韧性的改善幅度仍局限于较低的范围内，而未实现较大幅度增韧的目的。
因此，基于裂纹在不同尺度晶粒间的扩展机制，以及金属纤维的高效增韧机制，在金属陶瓷内设计多元多尺度晶粒的微观组织，同时设计金属纤维骨架，利用多尺度晶粒韧化与金属纤维韧化协同作用，实现金属陶瓷断裂韧性的大幅度提高，同时其具有一定的损伤容限能力、一定的伪塑性变形能力以及较低的裂纹敏感性。最终明显改善金属陶瓷的高脆性，实现金属陶瓷断裂韧性的大幅提升，降低金属陶瓷的裂纹敏感性，减少金属陶瓷在使用过程中突发性脆性断裂的可能性。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷，解决了现有金属陶瓷高脆性和易发生无先兆性断裂失效的问题。
本发明的另一个目的是提供一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法。
本发明所采用的第一技术方案是，一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷，按照体积百分比包括以下组分：骨架化分布的金属纤维2％～9％，微米级碳、氮化物晶粒60％～80％、亚微米级碳化物晶粒8％～24％和Fe粘结相6％～10％，以上各组分的体积百分比之和为100％，金属纤维为Ta纤维或Nb纤维，微米级碳、氮化物晶粒为微米级WC、WN、Cr2C3、CrN、TiC、TiN、SiC、SiN晶粒中的一种或多种，亚微米级碳化物晶粒为亚微米级NbC晶粒或TaC晶粒。
本发明的技术特征还在于，
微米级碳、氮化物晶粒的直径为5μm-20μm，亚微米级碳化物晶粒的直径为100nm-800nm，金属纤维直径为50μm-300μm。
亚微米级碳化物晶粒部分呈环状分布在金属纤维周围，与金属纤维形成核壳结构，其余部分弥散分布在金属陶瓷基体中。
本发明所采用的第二技术方案是，一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，分别称取粒度为5-20μm的WC、WN、Cr2C3、CrN、TiC、TiN、SiC、SiN粉末中的一种或几种，或者由W、Cr、Ti、Si、C和N组成的多元固溶体，粒度为5-10μm的Nb粉末或Ta粉末，粒度为1-5μm的铸铁粉末(HT300)；
步骤2：采用球磨机将步骤1称取的粉末混合均匀，形成混和粉末；
步骤3：向混和粉末中加入少量塑化剂，再放入混炼机中进行塑化处理和造粒，形成混合物料；
步骤4：采用直径为100μm-600μm的Ta纤维或Nb纤维预制骨架结构，形成金属纤维骨架；
步骤5：将金属纤维骨架放置于模具内，将混合物料通过注射成型机注射于模具内保压一段时间，脱模后即得成型预制件；
步骤6：将成型预制件放置于高温模具内，然后将高温模具放入高温烧结炉内进行多级温度烧结处理，最后经过冷却和脱模处理，即得三维纤维骨架韧化金属陶瓷。
步骤3中，塑化剂占混合粉末的质量百分比为0.6～0.9wt％。
步骤5中，将混合物料通过注射成型机注射于模具内，注射温度为150-300℃，注射压力为30-150MPa，保压时间为0.5-5min。
步骤6中，多级温度烧结处理，包括先将高温烧结炉内温度从室温升至500-700℃进行多级脱脂处理，处理时间为2-12h；然后将炉温升至1165-1450℃保温一段时间，再将炉温降至1000-1135℃保温一段时间，随后将炉温降至750±10℃保温，最后随炉冷却至室温。
步骤6中，高温烧结炉内升温速度为5℃/min～10℃/min。
步骤6中，高温烧结炉的炉温为1165-1450℃时保温时间为0.03h-0.5h，炉温为1000-1135℃时保温时间为0.5h-8h。
步骤6中，多级温度烧结处理过程中，高温烧结炉内气氛为真空或惰性保护气体。
本发明的有益效果是，由骨架化分布的金属纤维、微米级碳氮化物晶粒、亚微米级碳化物晶粒和Fe粘结相组成三维纤维骨架韧化金属陶瓷，不同物相具有较大的晶粒尺寸差别，裂纹在不同物相、尺寸的晶粒之间具有不同的扩展及偏转机制，起到多尺度韧化的作用；通过在真空或惰性气体气氛保护炉内进行多级温度烧结处理，制备具有三维纤维骨架韧化金属陶瓷，所制备的三维纤维骨架韧化金属陶瓷在保证金属陶瓷高强高耐磨等优异性能的同时，原位生成亚微米级的碳化物晶粒可同时起到强韧化的作用；纤维周向原位生成梯度亚微米级碳化物晶粒，沿纤维周向呈壳状梯度分布，其可改善纤维与基体的结合力和界面结构；原位反应后残余金属纤维具有高塑形变形能力，可以吸收局部过量的残余应力，同时提供高效纤维韧化作用；所制备的金属陶瓷材料既有传统陶瓷材料高强、耐磨、高硬度等特点，同时其通过多尺度晶粒强韧化与纤维增韧协同作用，大幅提升传统陶瓷材料的韧性，具有良好的损伤容限性能；可广泛应用于模具加工、装备制造、石油化工、核工业以及、航空航天等中，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明三维纤维骨架韧化金属陶瓷的三维结构示意图；
图2是本发明三维纤维骨架韧化金属陶瓷的局部微观组织特征示意图；
图3是本发明实施例1制备的三维纤维骨架韧化金属陶瓷材料的低倍显微组织图；
图4是本发明实施例1制备的三维纤维骨架韧化金属陶瓷材料的高倍显微组织图。
图中，1.基体，2.金属纤维，3.亚微米级碳化物晶粒，4.微米级碳、氮化物晶粒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷，参照图1和图2，由骨架化分布的金属纤维2、填充在金属纤维2之间和周围的基体1组成，基体1包括微米级碳、氮化物晶粒4、亚微米级碳化物晶粒3和Fe粘结相，具体按照体积百分比包括以下组分：骨架化分布的金属纤维2％～9％，微米级碳、氮化物晶粒60％～80％、亚微米级碳化物晶粒8％～24％和Fe粘结相6％～10％，以上各组分的体积百分比之和为100％；金属纤维为Ta纤维或Nb纤维，微米级碳、氮化物晶粒为微米级WC、WN、Cr2C3、CrN、TiC、TiN、SiC、SiN晶粒中的一种或多种，亚微米级碳化物晶粒为亚微米NbC晶粒或亚微米TaC晶粒。
微米级碳、氮化物晶粒的直径为5μm-20μm，亚微米级碳化物晶粒的直径为100nm-800nm，金属纤维直径为50μm-300μm。
亚微米级碳化物晶粒部分呈环状分布在金属纤维周围，与金属纤维形成核壳结构，其余部分弥散分布在金属陶瓷基体中。
本发明一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分，粒度为5-20μm的WC、WN、Cr2C3、CrN、TiC、TiN、SiC、SiN粉末中的一种或几种，或者由W、Cr、Ti、Si、C和N组成的多元固溶体70％-85％，粒度为5μm-10μm的Nb粉末或Ta粉末5-15％，粒度为1μm-5μm的铸铁粉末(HT300)5-15％；以上各组分的体积百分比之和为100％；
步骤2：采用球磨机将步骤1称取的粉末混合均匀，形成混和粉末；
步骤3：向混和粉末中加入少量塑化剂，再放入混炼机中进行塑化处理和造粒，形成混合物料；其中，塑化剂占混合粉末的质量百分比为0.6～0.9wt％。
步骤4：采用丝径为100μm-600μm的Ta纤维或Nb纤维预制骨架结构，形成金属纤维骨架；其中，Ta纤维或Nb纤维占总材料的质量百分比为5-20％；金属纤维骨架中相邻金属纤维的间距为5倍丝径-10倍丝径；
步骤5：将金属纤维骨架放置于模具内，将混合物料通过注射成型机注射于模具内，注射温度为150-300℃，注射压力为30-150MPa，保压时间为0.5-5min，脱模后即得成型预制件；
步骤6：将成型预制件放置于高温模具内，然后将高温模具放入高温烧结炉内进行多级温度烧结处理，高温烧结炉内气氛为真空或惰性保护气体，具体包括先将高温烧结炉内温度从室温升至500-700℃进行多级脱脂处理，处理时间为2-12h；然后将炉温升至1165-1450℃保温0.03h-0.5h，高温烧结炉内升温速度为5℃/min～10℃/min，再将炉温降至1000-1135℃保温0.5h-8h，随后将炉温降至750±10℃保温，最后随炉冷却至室温，经过脱模处理，即得三维纤维骨架韧化金属陶瓷。
实施例1
本发明一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取平均粒度为20μm的WC粉末70％，平均粒度为10μm的Nb粉末15％，粒度为5μm的铸铁粉末(HT300)15％，以上各组分的体积百分比之和为100％；以上粉末的纯净度都大于99.5％；
步骤2：采用球磨机将步骤1称取的粉末混合均匀，形成混和粉末；
步骤3：向混和粉末中加入少量塑化剂，再放入混炼机中进行塑化处理和造粒，形成混合物料；其中，塑化剂为石蜡油，塑化剂占混合粉末的质量百分比为0.8wt％；
步骤4：采用丝径为600μm的Nb纤维预制骨架结构，形成金属纤维骨架；其中，Nb纤维占总材料的质量百分比为20％；金属纤维骨架中相邻金属纤维的间距为3000μm，即金属纤维的横纵向间距为3000μm；
步骤5：将金属纤维骨架放置于模具内，将混合物料通过注射成型机注射于模具内，注射温度为150℃，注射压力为30MPa，保压5min后脱模，即制得成型预制件；
步骤6：将成型预制件放置于高温模具内，然后将高温模具放入高温烧结炉内进行多级温度烧结处理，先将高温烧结炉内温度从室温升至700℃保温4h进行多级脱脂处理，然后将炉温升至1450℃保温0.05h，再将炉温降至1135℃保温0.5h，随后将炉温降至750℃保温1h，高温烧结炉的升温速度为10℃/min，降温速度为5℃/min，最后随炉冷却至室温，经过脱模处理，即得三维纤维骨架韧化金属陶瓷。
对制得的三维纤维骨架韧化金属陶瓷进行金相处理，观测其内部显微组织特征，图3是实施例1制备的三维纤维骨架韧化金属陶瓷的低倍显微组织图，图4是实施例1制备的三维纤维骨架韧化金属陶瓷的高倍显微组织图，从图3和图4中可看出，实施例1制备的金属陶瓷材料，其整体形貌表现为多元多尺度晶粒+金属纤维骨架的组织结构，具体包括基体内的微米级碳化物晶粒(即微米级WC晶粒)，Fe粘结相，弥散分布的亚微米级碳化物晶粒3(即亚微米级NbC晶粒)，呈骨架结构分布的剩余金属纤维2(金属Nb纤维)和沿金属纤维周向呈环状分布的亚微米级碳化物晶粒。
经过测量，该金属陶瓷中的微米级WC陶瓷晶粒尺度约为15μm，弥散分布的亚微米级NbC晶粒尺度约为800nm，环状分布的亚微米级NbC晶粒，其尺度为200nm-800nm，由内向外逐渐减小，呈梯度分布；剩余金属Nb纤维的直径约为300μm，Fe粘结相均匀分布于碳化物晶粒之间。
将测量，该金属陶瓷中微米级WC晶粒的体积百分比约为60％，弥散分布的亚微米级NbC晶粒的体积百分比约为14％，沿金属Nb纤维周向环形分布的亚微米级NbC晶粒的体积百分比约为10％，金属Nb纤维的体积百分比约为9％，Fe粘结相的体积百分比约为7％，该金属陶瓷材料的致密度约为99％。
实施例2
本发明一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取平均粒度为5μm的WC粉末70％和Cr2C3粉末15％，平均粒度为5μm的Nb粉末5％，粒度为5μm的铸铁粉末(HT300)10％，以上各组分的体积百分比之和为100％；以上粉末的纯净度都大于99％；
步骤2：采用球磨机将步骤1称取的粉末混合均匀，形成混和粉末；
步骤3：向混和粉末中加入少量塑化剂，再放入混炼机中进行塑化处理和造粒，形成混合物料；其中，塑化剂为石蜡油，塑化剂占混合粉末的质量百分比为0.7wt％；
步骤4：采用丝径为500μm的金属Nb纤维预制骨架结构，形成金属纤维骨架；其中，金属Nb纤维占总材料的质量百分比为5％；其中，金属纤维骨架中相邻金属纤维的间距为5000μm，即金属纤维的横纵向间距为5000μm；
步骤5：将金属纤维骨架放置于模具内，将混合物料通过注射成型机注射于模具内，注射温度为200℃，注射压力为50MPa，保压4min后脱模，即制得成型预制件；
步骤6：将成型预制件放置于高温模具内，然后将高温模具放入高温烧结炉内进行多级温度烧结处理，高温烧结炉内充满了氩气保护气体，炉内压强为10MPa，多级温度烧结处理包括先将高温烧结炉内温度从室温升至700℃保温1h进行多级脱脂处理，然后将炉温升至1165℃保温1h，再将炉温降至1000℃保温8h，随后将炉温降至745℃保温1h，高温烧结炉的升温速度为8℃/min，降温速度为5℃/min，最后随炉冷却至室温，经过脱模处理，即得三维纤维骨架韧化金属陶瓷。
对实施例2制得的三维纤维骨架韧化金属陶瓷进行显微组织观测，从其内部组织可看出，该金属陶瓷整体形貌表现为多元多尺度晶粒+金属纤维骨架的组织结构，具体包括基体内的微米级WC晶粒和Cr2C3晶粒，Fe粘结相，弥散分布的亚微米级NbC晶粒，呈骨架结构分布的金属Nb纤维和沿金属Nb纤维周向呈环状分布的亚微米级NbC晶粒。
经过测量，该金属陶瓷中的微米级WC陶瓷晶粒尺度约为20μm，微米级Cr2C3晶粒尺度约为15μm，弥散分布的亚微米级NbC晶粒尺度约为700nm，环状分布的亚微米级NbC晶粒，其尺度为200nm-700nm，由内向外逐渐减小，呈梯度分布；剩余金属Nb纤维的直径约为250μm，Fe粘结相均匀分布于碳化物晶粒之间。
将测量，该金属陶瓷中微米级WC晶粒的体积百分比约为70％，微米级Cr2C3晶粒的体积百分比约为10％，弥散分布的亚微米级NbC晶粒的体积百分比约为5％，沿金属Nb纤维周向环形分布的亚微米级NbC晶粒的体积百分比约为3％，金属Nb纤维的体积百分比约为2.5％，Fe粘结相的体积百分比约为9.5％，该金属陶瓷材料的致密度约为99.5％。
实施例3
本发明一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取平均粒度为10μm的WC粉末60％、TiC粉末10％和SiC粉末10％，平均粒度为5μm的Ta粉末10％，粒度为5μm的铸铁粉末(HT300)10％，以上各组分的体积百分比之和为100％；以上粉末的纯净度都大于99％；
步骤2：采用球磨机将步骤1称取的粉末混合均匀，球磨8h，形成混和粉末；
步骤3：向混和粉末中加入少量塑化剂，再放入混炼机中进行塑化处理和造粒，形成混合物料；其中，塑化剂为聚乙二醇，塑化剂占混合粉末的质量百分比为0.5wt％；
步骤4：采用丝径为200μm的Ta纤维预制三维骨架结构，形成金属纤维骨架；其中，Ta纤维占总材料的质量百分比为10％；金属纤维骨架中相邻金属纤维的间距为1500μm，即金属纤维的横纵向间距为1500μm；
步骤5：将金属纤维骨架放置于冷压模具内，将混合物料通过注射成型机注射于模具内，注射温度为200℃，注射压力为80MPa，保压0.5min后脱模，即制得成型预制件；
步骤6：将成型预制件放置于高温模具内，然后将高温模具放入高温烧结炉内进行多级温度烧结处理，高温烧结炉内充满了惰性保护气体，炉内压强最高为30MPa，多级温度烧结处理包括先将高温烧结炉内温度从室温升至600℃保温1h进行多级脱脂处理，然后将炉温升至1165℃保温0.03h，再将炉温降至1100℃保温0.5h，随后将炉温降至755℃保温1h，高温烧结炉的升温速度为5℃/min，降温速度为5℃/min，最后随炉冷却至室温，经过脱模处理，即得三维纤维骨架韧化金属陶瓷。
对实施例3制得的三维纤维骨架韧化金属陶瓷进行显微组织观测，从其内部组织可看出，该金属陶瓷整体形貌表现为多元多尺度晶粒+金属纤维骨架的组织结构，具体包括基体内的微米级WC晶粒、TiC晶粒和SiC晶粒，Fe粘结相，弥散分布的亚微米级TaC晶粒，呈骨架结构分布的金属Ta纤维和沿金属Ta纤维周向呈环状分布的亚微米级TaC晶粒。
经过测量，该金属陶瓷中的WC陶瓷晶粒尺度约为10μm，TiC晶粒尺度约为5μm，SiC晶粒尺度约为5μm，弥散分布的TaC晶粒尺度约为800nm，环状分布的亚微米级TaC晶粒，其尺度为100nm-800nm，由内向外逐渐减小，呈梯度分布；剩余金属Ta纤维的直径约为120μm，Fe粘结相均匀分布于碳化物晶粒之间。
将测量，该金属陶瓷中微米级WC晶粒的体积百分比约为50％，微米级TiC晶粒的体积百分比约为10％，微米级SiC晶粒的体积百分比约为10％，弥散分布的亚微米级TaC晶粒的体积百分比约为10％，沿金属Ta纤维周向环形分布的亚微米级TaC晶粒的体积百分比约为5％，金属Ta纤维的体积百分比约为5.1％，Fe粘结相的体积百分比约为9.9％，该金属陶瓷材料的致密度约为99.9％。
实施例4
本发明一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取平均粒度为10μm的WC粉末50％和CrN粉末20％，平均粒度为5μm的Ta粉末15％，粒度为5μm的铸铁粉末15％，以上各组分的体积百分比之和为100％；以上粉末的纯净度都大于99％；
步骤2：采用球磨机将步骤1称取的粉末混合均匀，球磨8h，形成混和粉末；
步骤3：向混和粉末中加入少量塑化剂，再放入混炼机中进行塑化处理和造粒，形成混合物料；其中，塑化剂为石蜡油，塑化剂占混合粉末的质量百分比为0.5wt％；
步骤4：采用丝径为100μm的Ta纤维预制三维骨架结构，形成金属纤维骨架；其中，金属纤维占总材料的质量百分比为15％；金属纤维骨架中相邻金属纤维的间距为1000μm，即金属纤维的横纵向间距为1000μm；
步骤5：将金属纤维骨架放置于冷压模具内，将混合物料通过注射成型机注射于模具内，注射温度为150℃，注射压力为150MPa，保压5min后脱模，即制得成型预制件；
步骤6：将成型预制件放置于高温模具内，然后将高温模具放入高温烧结炉内进行多级温度烧结处理，高温烧结炉内充满了惰性保护气体，炉内压强最高为20MPa，多级温度烧结处理包括先将高温烧结炉内温度从室温升至600℃保温12h进行多级脱脂处理，然后将炉温升至1350℃保温0.5h，再将炉温降至1050℃保温8h，随后将炉温降至755℃保温1h，高温烧结炉的升温速度为8℃/min，降温速度为5℃/min，最后随炉冷却至室温，经过脱模处理，即得三维纤维骨架韧化金属陶瓷。
对实施例4制得的三维纤维骨架韧化金属陶瓷进行显微组织观测，从其内部组织可看出，该金属陶瓷整体形貌表现为多元多尺度晶粒+金属纤维骨架的组织结构，具体包括基体内的微米级WC晶粒和CrN晶粒，Fe粘结相，弥散分布的亚微米级TaC晶粒，呈骨架结构分布的金属Ta纤维和沿金属Ta纤维周向呈环状分布的亚微米级TaC晶粒。
经过测量，该金属陶瓷中的WC陶瓷晶粒尺度约为15μm，CrN晶粒尺度约为10μm，弥散分布的TaC晶粒尺度约为500nm，环状分布的亚微米级TaC晶粒，其尺度为200nm-500nm，由内向外逐渐减小，呈梯度分布；金属Ta纤维的直径约为50μm，Fe粘结相均匀分布于碳化物晶粒之间。
将测量，该金属陶瓷中微米级WC晶粒的体积百分比约为50％，微米级CrN晶粒的体积百分比约为10％，弥散分布的亚微米级TaC晶粒的体积百分比约为20％，沿金属Ta纤维周向环形分布的亚微米级TaC晶粒的体积百分比约为4％，金属Ta纤维的体积百分比约为9％，Fe粘结相的体积百分比约为7％，该金属陶瓷材料的致密度约为97％。
实施例5
本发明一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取平均粒度为20μm的WC粉末50％，平均粒度为5μm的TiC粉末20％，平均粒度为5μm的Nb粉末15％，粒度为5μm的铸铁粉末15％，以上各组分的体积百分比之和为100％；以上粉末的纯净度都大于99％；
步骤2：采用球磨机将步骤1称取的粉末混合均匀，球磨5h，形成混和粉末；
步骤3：向混和粉末中加入少量塑化剂，再放入混炼机中进行塑化处理和造粒，形成混合物料；其中，塑化剂为石蜡油，塑化剂占混合粉末的质量百分比为0.4wt％，造孔剂占混合粉末的质量百分比为0.2wt％；
步骤4：采用丝径为400μm的Nb纤维预制三维骨架结构，形成金属纤维骨架；其中，Nb纤维占总材料的质量百分比为10％；金属纤维骨架中相邻金属纤维的间距为3000μm，即金属纤维需的横纵向间距为3000μm；
步骤5：将金属纤维骨架放置于冷压模具内，将混合物料通过注射成型机注射于模具内，注射温度为150℃，注射压力为150MPa，保压5min后脱模，即制得成型预制件；
步骤6：将成型预制件放置于高温模具内，然后将高温模具放入高温烧结炉内进行多级温度烧结处理，高温烧结炉内充满了惰性保护气体，炉内压强最高为30MPa，多级温度烧结处理包括先将高温烧结炉内温度从室温升至600℃保温12h进行多级脱脂处理，然后将炉温升至1250℃保温0.5h，再将炉温降至1050℃保温6h，随后将炉温降至755℃保温1h，高温烧结炉的升温速度为8℃/min，降温速度为5℃/min，最后随炉冷却至室温，经过脱模处理，即得三维纤维骨架韧化金属陶瓷。
对实施例5制得的三维纤维骨架韧化金属陶瓷进行显微组织观测，从其内部组织可看出，该金属陶瓷整体形貌表现为多元多尺度晶粒+金属纤维骨架的组织结构，具体包括基体内的微米级WC晶粒和TiC晶粒，Fe粘结相，弥散分布的亚微米级NbC晶粒，呈骨架结构分布的金属Nb纤维和沿金属Nb纤维周向呈环状分布的亚微米级NbC晶粒。
经过测量，该金属陶瓷中的WC晶粒尺度约为20μm，TiC晶粒尺度约为10μm，弥散分布的NbC晶粒尺度约为800nm，环状分布的亚微米级NbC晶粒，其尺度为200nm-800nm，由内向外逐渐减小，呈梯度分布；剩余金属Nb纤维的直径约为200μm，Fe粘结相均匀分布于碳化物晶粒之间。
将测量，该金属陶瓷中微米级WC晶粒的体积百分比约为50％，微米级TiC晶粒的体积百分比约为20％，弥散分布的亚微米级NbC晶粒的体积百分比约为10％，沿金属Nb纤维周向环形分布的亚微米级NbC晶粒的体积百分比约为6％，金属Nb纤维的体积百分比约为4％，Fe粘结相的体积百分比约为10％，该金属陶瓷材料的致密度约为98％。
对实施例1-5制备得到的金属陶瓷材料进行力学性能测试，具体结果如表1所示。
Figure BDA0002551830360000151
由表1可以看出，实施例1-5所获得的三维纤维骨架金属陶瓷的断裂韧性和抗弯性良好，断裂韧性最高可达32.61MPa·m1/2，抗弯强度最高可达1351MPa，解决了现有金属陶瓷高脆性、低可靠性、低损伤容限，以及易发生无先兆性断裂失效等问题。

Claims (10)

1.一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷，其特征在于，按照体积百分比包括以下组分：骨架化分布的金属纤维2％～9％，微米级碳、氮化物晶粒60％～80％、亚微米级碳化物晶粒8％～24％和Fe粘结相6％～10％，以上各组分的体积百分比之和为100％，所述金属纤维为Ta纤维或Nb纤维，微米级碳、氮化物晶粒为微米级WC、WN、Cr2C3、CrN、TiC、TiN、SiC、SiN晶粒中的一种或多种，亚微米级碳化物晶粒为亚微米级NbC晶粒或TaC晶粒。
2.根据权利要求1所述的一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷，其特征在于，所述微米级碳、氮化物晶粒的直径为5μm-20μm，亚微米级碳化物晶粒的直径为100nm-800nm，金属纤维直径为50μm-300μm。
3.根据权利要求1所述的一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷，其特征在于，所述亚微米级碳化物晶粒部分呈环状分布在金属纤维周围，与金属纤维形成核壳结构，其余部分弥散分布在金属陶瓷基体中。
4.一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，分别称取粒度为5-20μm的WC、WN、Cr2C3、CrN、TiC、TiN、SiC、SiN粉末中的一种或几种，或者由W、Cr、Ti、Si、C和N组成的多元固溶体，粒度为5-10μm的Nb粉末或Ta粉末，粒度为1-5μm的铸铁粉末；
步骤2：采用球磨机将步骤1称取的粉末混合均匀，形成混合粉末；
步骤3：向混合粉末中加入少量塑化剂，再放入混炼机中进行塑化处理和造粒，形成混合物料；
步骤4：采用直径为100μm-600μm的Ta纤维或Nb纤维预制骨架结构，形成金属纤维骨架；
步骤5：将金属纤维骨架放置于模具内，将混合物料通过注射成型机注射于模具内保压一段时间，脱模后即得成型预制件；
步骤6：将成型预制件放置于高温模具内，然后将高温模具放入高温烧结炉内进行多级温度烧结处理，最后经过冷却和脱模处理，即得三维纤维骨架韧化金属陶瓷。
5.根据权利要求4所述的一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，塑化剂占混合粉末的质量百分比为0.6～0.9wt％。
6.根据权利要求4所述的一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，将混合物料通过注射成型机注射于模具内，注射温度为150-300℃，注射压力为30-150MPa，保压时间为0.5-5min。
7.根据权利要求4所述的一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤6中，多级温度烧结处理，包括先将高温烧结炉内温度从室温升至500-700℃进行多级脱脂处理，处理时间为2-12h；然后将炉温升至1165-1450℃保温一段时间，再将炉温降至1000-1135℃保温一段时间，随后将炉温降至750±10℃保温，最后随炉冷却至室温。
8.根据权利要求7所述的一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤6中，高温烧结炉内升温速度为5℃/min～10℃/min。
9.根据权利要求8所述的一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤6中，高温烧结炉的炉温为1165-1450℃时保温时间为0.03h-0.5h，炉温为1000-1135℃时保温时间为0.5h-8h。
10.根据权利要求8所述的一种三维纤维骨架韧化金属陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤6中，多级温度烧结处理过程中，高温烧结炉内气氛为真空或惰性保护气体。
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CN113564498B (zh) * 2021-07-26 2022-04-08 西安理工大学 一种抗冲击耐磨复合衬板及其制备方法
CN113732293B (zh) * 2021-07-26 2023-08-22 西安理工大学 一种碳化物金属基复合棒材及其制备方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0305766A3 (en) * 1987-09-03 1990-04-04 Westinghouse Electric Corporation Discontinuous fiber and particulate reinforced refractory metal composite
JP4052789B2 (ja) * 1999-11-05 2008-02-27 新日本製鐵株式会社 繊維強化金属およびそれを用いた複合材とその製造方法
CN101709437A (zh) * 2009-11-09 2010-05-19 西安建筑科技大学 灰口铸铁基自生碳化钽复合材料制备工艺
CN102226257B (zh) * 2011-06-15 2012-09-12 哈尔滨工业大学 铌或铌合金长丝增强钛铝合金铸件的制备方法
CN103332942B (zh) * 2013-06-20 2015-01-07 汕头大学 一种低温烧结Ni金属纤维复合陶瓷基板
CN105693260B (zh) * 2015-04-20 2018-05-01 佛山市百瑞新材料技术有限公司 一种低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板
CN108101517A (zh) * 2016-11-24 2018-06-01 刘芳 一种钢纤维和硅酸铝纤维混杂增强陶瓷基复合材料

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