[發明專利]一種過渡金屬碳氮化物基高熵金屬陶瓷及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910973986.3
• 申請日: 2019-10-14
• 公開（公告）號: CN110607473B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 馬世卿;段一凡;楊云;王志;秦勝建;楊治剛;吳紅亞;張光磊
• 申請（專利權）人: 石家莊鐵道大學
• 主分類號: C22C29/04
• 分類號: C22C29/04;C22C1/05;C22C1/10
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王術娜

本發明提供了一種過渡金屬碳氮化物基高熵金屬陶瓷及其制備方法和應用，屬于高熵金屬陶瓷領域。本發明提供的過渡金屬碳氮化物基高熵金屬陶瓷由硬質相和高熵合金粘結相的混合物經燒結得到，所述硬質相為過渡金屬碳氮化物基高熵陶瓷粉末，所述粘結相為高熵合金粉末。本發明提供的過渡金屬碳氮化物基高熵金屬陶瓷兼具了高韌性、高硬度和高強度等性能，實施例結果表明，本發明制備得到的過渡金屬碳氮化物基高熵金屬陶瓷的斷裂韌性為10.2～19.8MPa·m^1/2，高溫硬度為22.0～29.9GPa，強度為2100～3450MPa。本發明提供的過渡金屬碳氮化物基高熵金屬陶瓷的制備方法，具有操作簡單、容易推廣等優點。

技術領域

本發明涉及高熵金屬陶瓷領域，尤其涉及一種過渡金屬碳氮化物基高熵金屬陶瓷及其制備方法和應用。

背景技術

金屬陶瓷是一種復合材料，由金屬和陶瓷粉末經燒結制成，兼有金屬和陶瓷的某些優點，其在機械制造、高端刀具、耐磨耐蝕、高溫涂層、國防裝備等領域得到廣泛應用。

金屬陶瓷根據組成的不同，可分為氧化物基金屬陶瓷、碳化物基金屬陶瓷、氮化物基金屬陶瓷、硼化物基金屬陶瓷、硅化物基金屬陶瓷等等。現有技術常見的金屬陶瓷材料中陶瓷材料(即硬質相)為TiC和/或WC，金屬(即粘結相)為Co和/或Ni，上述常見的金屬陶瓷材料力學性能較低，限制了金屬陶瓷的廣泛應用。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種過渡金屬碳氮化物基高熵金屬陶瓷及其制備方法和應用，本發明提供的過渡金屬碳氮化物基高熵金屬陶瓷力學性能較好，斷裂韌性為10.2～19.8MPa·m^1/2，高溫硬度為22.0～29.9GPa，強度為2100～3450MPa。

本發明提供了一種過渡金屬碳氮化物基高熵金屬陶瓷，所述過渡金屬碳氮化物基高熵金屬陶瓷由硬質相和粘結相的混合物經燒結得到，所述硬質相為過渡金屬碳氮化物基高熵陶瓷粉末，所述粘結相為高熵合金粉末；

所述硬質相包括金屬主元和非金屬主元，所述金屬主元由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的五種或者五種以上元素組成；所述非金屬主元由C和N組成；

所述粘結相由Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Sc、Y、La、Ce、Pr、Er和Sm中的五種或者五種以上元素組成。

優選的，所述硬質相和粘結相的混合物中粘結相的質量分數為5～35％。

優選的，所述硬質相的制備方法包括以下三種并列方法：

(i)將金屬主元對應的氧化物和碳源混合后，依次進行高能球磨和熱處理，所述熱處理在氮氣氣氛中進行，得到過渡金屬碳氮化物高熵陶瓷粉末；

或者，(ii)將金屬主元對應的鹽、碳源和水混合后，依次進行濃縮和干燥處理，得到前驅體粉末；再將所述前驅體粉末進行熱處理，所述熱處理在氮氣氣氛中進行，得到過渡金屬碳氮化物高熵陶瓷粉末；

或者，(iii)將金屬主元對應的鹽、碳源和水混合后，進行水熱反應，然后將水熱反應產物進行熱處理，所述熱處理在氮氣氣氛中進行，得到過渡金屬碳氮化物高熵陶瓷粉末。

優選的，所述(i)、(ii)和(iii)中熱處理的溫度獨立地為1400～1800℃，熱處理的時間獨立地為0.5～4h。

優選的，所述(iii)中水熱反應的溫度為160～240℃，時間為4～16h。

本發明還提供了上述技術方案所述過渡金屬碳氮化物基高熵金屬陶瓷的制備方法，包括以下步驟：

將硬質相和粘結相依次經球磨混合、制粒、壓制、燒結和冷卻處理，得到過渡金屬碳氮化物基高熵金屬陶瓷。