[發(fā)明專利]一種B4C-HEAs梯度材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810419911.6
• 申請(qǐng)日: 2018-05-04
• 公開（公告）號(hào): CN108687351B
• 公開（公告）日: 2019-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 季偉;柯博仁;傅正義;王為民;王皓;王玉成;張金詠;張帆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B22F7/02
• 分類號(hào): B22F7/02;B22F3/105;B22F3/14
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 鄔麗明

本發(fā)明涉一種B₄C?HEAs梯度材料及其制備方法。該梯度材料由N層材料燒結(jié)為一體結(jié)構(gòu)，其中N≥5，N層材料自上而下由富陶瓷層通過多個(gè)中間層逐步過渡到富金屬層，每層的HEAs質(zhì)量呈梯度上升變化，所述HEAs是由機(jī)械合金方法制備的合金粉末，所述富陶瓷層的HEAs含量為1wt％～50wt％，硅的含量為0wt％～5wt％，其余為B₄C；所述富金屬層的HEAs含量為50wt％～100wt％，硅的含量為0wt％～5wt％，其余為B₄C。本發(fā)明的制備方法包括混料步驟、分段燒結(jié)步驟和連接步驟。本發(fā)明分段燒結(jié)梯度材料，每層都具有高致密度，再將幾段少層梯度材料連接成多層梯度材料，材料整體梯度結(jié)構(gòu)更加豐富，顯著降低燒結(jié)溫度，減少燒結(jié)成本；所制備的材料整體強(qiáng)度高、各層致密度高、界面連接好且具有明顯梯度形貌和性質(zhì)變化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于陶瓷和金屬復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種B₄C-HEAs梯度材料及其制備方法。

背景技術(shù)

功能梯度材料(Functional Graded Materials，簡(jiǎn)稱FGM)是由日本學(xué)者Kawasaki和 Watanab在上世紀(jì)80年代首先提出和制備的，具有優(yōu)異的抗熱震性能和抗裂紋擴(kuò)展性能。 FGM現(xiàn)已成功應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，例如核工程中的核反應(yīng)第一層壁及周圍材料、等離子體測(cè)試和控制用窗口材料；機(jī)械工程中的陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)、耐磨機(jī)械構(gòu)件、耐熱機(jī)械構(gòu)件和耐腐蝕機(jī)械構(gòu)件；生物工程材料中的人造齒、人造骨/人造關(guān)節(jié)和人造臟器以及輕質(zhì)陶瓷材料等。

梯度材料是新型防護(hù)科技中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，是現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展中不可缺少的生存之術(shù)。陶瓷材料具有高硬度、低密度的特點(diǎn)，以其作為材料不僅能消耗沖擊物的動(dòng)能，還可借助高熔點(diǎn)的特性來分散金屬?zèng)_擊物的熔融金屬射流，是優(yōu)良的材料之一。

碳化硼(B₄C)是陶瓷材料中密度最小的，甚至比鋁還低，僅為2.52g/cm³。其硬度在自然界中僅次于金剛石和立方氮化硼(CBN)，尤其是近于恒定的高溫硬度(>30GPa)更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過金剛石和CBN，同時(shí)B₄C還具有高熔點(diǎn)(2450℃)、高模量、耐磨性好、耐酸堿性強(qiáng)等特點(diǎn)，并具有良好的中子、氧氣吸收能力、較低的膨脹系數(shù)(5.0×10^-6·K^-1)、熱電性能(140S/m，室溫)。但由于B₄C結(jié)構(gòu)中存在90％以上的共價(jià)鍵導(dǎo)致其自擴(kuò)散系數(shù)很低難以燒結(jié)，需加入第二相材料進(jìn)行復(fù)合，在加入第二相材料的同時(shí)，如何保持其耐腐蝕、高硬度等特性是一個(gè)難題。

葉均蔚等在1995年突破材料設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)理念，在非晶合金基礎(chǔ)上提出了新的合金設(shè)計(jì)理念，稱之為多主元高熵合金(High Entropy Alloys,HEAs)。高熵合金是由5種以上元素組元按照等原子比或近等原子比合金化，一般形成固溶體的一類混合熵較高的合金。由于具有熱力學(xué)上的高熵效應(yīng)、結(jié)構(gòu)上的晶格畸變效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)上的遲滯擴(kuò)散效應(yīng)、性能上的雞尾酒效應(yīng)，容易獲得熱穩(wěn)定性高的固溶體相和納米結(jié)構(gòu)甚至非晶結(jié)構(gòu)，高熵合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性、高耐腐蝕性等傳統(tǒng)合金所不能同時(shí)具備的優(yōu)異性能，成為近些年來最有發(fā)展?jié)摿Φ?大熱點(diǎn)之一，具有很高的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。同時(shí)高熵合金與陶瓷具有良好的潤(rùn)濕性，與陶瓷共存時(shí)能形成低共熔點(diǎn)的中間相，降低陶瓷的燒結(jié)溫度，提高陶瓷的致密度。