一種含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種復合材料及其制備方法，尤其涉及一種含鋯的碳化硼-鋁合金復 合材料及其制備方法，屬于陶瓷基復合材料技術領域。
【背景技術】
[0002] 碳化硼（B4C)陶瓷因密度輕（2.4-2.5g/cm3)、熔點高（>2400°C)、維氏硬度大（> 27GPa)、化學性能穩(wěn)定以及中子吸收截面高，在輕質剎車裝置、輕質防彈裝甲、衛(wèi)星抗撓曲 部件、核屏蔽部件、切割研磨部件等方面應用潛力巨大。特別是由于輕質高硬尤其適合航空 (如直升機)裝甲和防彈衣等以減重為首要前提的裝甲系統(tǒng)。但是，影響碳化硼廣泛使用的 原因有三:一是碳化硼的燒結溫度高，致密化困難。由于共價鍵結合，熱壓燒結溫度達到熔 點90%，仍然只有95%以上致密度;二是韌性比較低，常溫下斷裂韌性約為2-4MPa · mV2,受 沖擊后粉碎性破裂，在防彈上不能抗多發(fā)彈打擊且可能對未受沖擊部位帶來破壞;三是強 度低，WC-Co復合材料(硬質合金）的抗彎強度最低都在lOOOMPa以上，而已報道的碳化硼陶 瓷的抗彎強度大部分小于800MPa。如K.A. Schwetz(J. Solid State Chemistry，1997，133: 178-181)改變各種參數，采用高溫熱等靜壓燒結得到的碳化硼，彎曲強度小于600MPa， V. Skorokhod(J.Material Science Letter，2000，19:237-239)利用熱壓燒結方法，通過添 加少量的Ti0；^PC粉，制得的含TiBd^B 4C陶瓷四點抗彎強度最高是621MPa。專利 CN1582264A-碳化硼質燒結體及其制造方法報道，通過優(yōu)化成分，采用無壓燒結得到的含 T iB2的B4C陶瓷四點抗彎強度可提高到700MPa以上。
[0003] 因此，克服碳化硼的上述三個缺點，提高強度、降低燒結溫度和增加韌性是目前國 內外碳化硼陶瓷研究的熱點和難點。對于輕質抗彈用的碳化硼，除硬度要求高以外，為提高 吸能、抗多發(fā)彈打擊和機械加工的需要，韌性指標同樣很重要。
[0004] 碳化硼增韌的方法有自增韌（相變增韌、彌散析出增韌）和復合增韌兩類，自增韌 是利用燒結和熱處理工藝得到內部自生的增韌相，增韌機理是通過韌性相的塑性變形吸 能，降低裂紋尖端的應力集中，阻止裂紋擴展。目前碳化硼自增韌方面由于第二相元素的選 擇復雜，研究報道少，增韌潛力有限。研究比較多的是制備時引入異質組元即復合增韌，異 質組元可以是連續(xù)纖維、短纖維或晶須、顆粒和連續(xù)金屬。
[0005] 根據增韌組元不同其增韌機理亦有區(qū)別。纖維增韌情況下，纖維既能承載，又可阻 礙裂紋的擴展，通過纖維橋聯(lián)、裂紋偏轉、纖維拔出機制消耗能量，增加材料韌性，纖維增韌 碳化硼的缺點是成本高，均勻制備有困難。顆粒增韌常采用粉末燒結方法制備樣品，顆粒尺 度在微米級或納米級。其增韌機理是顆粒和微裂紋作用導致的顆粒誘導開裂耗能、裂紋偏 轉和裂紋橋聯(lián)耗能增韌。研究較多的增韌顆粒(或粘接劑)有(：、1^、2抑 2、51(：、1182、51等，顆 粒增韌碳化硼的缺點是增韌效果有限，如專利CN1582264A-碳化硼質燒結體及其制造方法 報道的含TiB2的B 4C陶瓷，其斷裂韌性只有2.8MPa · mV2。
[0006] 連續(xù)金屬增韌碳化硼是采用溶滲法在碳化硼骨架里引入高含量連續(xù)韌性金屬。這 種工藝制備的B4C-Metal是雙連續(xù)相復合結構，B 4C顆粒燒結成互連的整體，溶滲的金屬也是 連續(xù)的整體，復合材料整體硬度高，而韌性大大提高，抗沖擊性能不降低，例如國外公開報 道的B4C-MgSi的抗彈指數η平均為8，不低于純燒結碳化硼（N Frage，React ion-bonded Boron-Carbide/Magnesium-Silicon Composites,Applied Ceramic Technology,2014, 11:273-279)〇
[0007] 由于A1合金價格便宜，熔點較低，適合采用熔滲法制備含鋁的碳化硼基復合材料。 如專利CN1155271A報道的高溫下高彎曲強度的碳化硼金屬陶瓷結構材料，采用的是1145鋁 合金，合金元素含量小于0.55 %，但是復合材料含有大量的鋁硼化合物，結構材料的整體密 度偏高，達到2.7-3.2g/cm3;鋁金屬活性大，對熔滲溫度的控制要求高，溫度稍高會發(fā)生系 列化學反應，大量生成鋁碳化合物（如A1 4C3/A13BC)，大量鋁碳化合物的形成不但嚴重降低 增韌效果和復合材料的整體強度，而且在大氣中容易潮解粉化，進而降低材料的使用壽命。 同時，由于CN1155271A設計的碳化硼金屬陶瓷結構材料的熱處理效果有限，這導致其強度 還有待進一步的提尚。
[0008] 作為碳化硼的增韌金屬，降低熔滲溫度，減少基體和金屬的過度化學反應是其研 究的方向。

【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明針對現有技術中存在的不足，設計一種能在400°C以下可靠工作的、輕質高 韌的、含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料及其制備方法。
[0010] 本發(fā)明一種含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料，以質量百分比計包括下述組分：
[0011] 碳化硼55-80%、優(yōu)選為55-75%、進一步優(yōu)選為55-70% ;
[0012] 含鋯鋁合金20-45%、優(yōu)選為25-45%、進一步優(yōu)選為30-45% ;
[0013]所述含鋯鋁合金中，鋯元素的質量占含鋯鋁合金總質量的0.2-1%。
[0014] 本發(fā)明一種含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料，所述含鋯鋁合金以質量百分比計包 括下述元素：
[0015] 銅4-6 %、
[0016] 錳0.5-1.5%，
[0017] 鈦0.1-0.6%，
[0018] 鋯0.2-1%，優(yōu)選為0.6-1 %;
[0019] 余量為鋁。
[0020] 本發(fā)明一種含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料的制備方法;包括下述步驟：
[0021] 將孔隙率為20-45%的碳化硼基體與含鋯鋁合金接觸后;置于燒結爐內，在保護氣 氛下，升溫至800_1200°C后，保溫燒結;得到含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料。
[0022] 為了提升含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料的性能，本發(fā)明一種含鋯的碳化硼-鋁合 金復合材料的制備方法;包括下述步驟：
[0023] 將孔隙率為20-45%的碳化硼基體與含鋯鋁合金接觸后;置于真空燒結爐內，縣抽 真空至0.1卩&以下后充入氬氣保護，接著升溫至800-12001，保溫0.5-3小時，使得含鋯鋁合 金溶滲進入碳化硼的孔隙后，隨爐冷卻，得到含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料。
[0024] 本發(fā)明一種含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料的制備方法;孔隙率根據實際需求進 行調整，優(yōu)選為孔隙率為20-45%的碳化硼作為基體。其它孔隙率的碳化硼也可作為基體使 用。
[0025] 本發(fā)明一種含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料的制備方法;空隙率為20-45%的碳化 硼基體是通過下述步驟制備的：
[0026] 步驟 A
[0027] 按質量百分比稱取
[0028] 碳化硼粉 A 55-74%;
[0029] 碳化硼粉 B 23_45wt·%;
[0030] 氮化硼粉 1-3%;
[0031] 將稱取的碳化硼粉A、碳化硼粉B、氮化硼粉混合均勻后，壓制成型，得到碳化硼素 坯;壓制成型時，控制壓力為50-120Mpa;所述碳化硼粉A的粒徑為4.5-6加 111、優(yōu)選為5以111;所 述碳化硼粉B的粒徑為3-4μπι、優(yōu)選為3.5μπι;所述氮化硼粉粒徑0.1-0.2μπι;
[0032] 步驟 Β
[0033] 將步驟Α所得碳化硼素坯置于燒結爐內，在保護氣氛下，于1600-2000°C燒結，得到 孔隙率為20-45 %的碳化硼基體。
[0034] 本發(fā)明一種含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料的制備方法;步驟A中，將稱取的碳化 硼粉A、碳化硼粉B、氮化硼粉置于球磨罐內，進行球磨;得到混合均勻的混合粉體。
[0035] 所述球磨為濕磨，濕磨時；
[0036]所用球磨介質選自乙醇、蒸餾水中的至少一種;濕磨時，碳化硼粉A、碳化硼粉B、氮 化硼粉的質量之和與球磨介質的質量比為1-1.5:1，
[0037]所用磨球的材質選自硬質合金、軸承鋼中的一種，濕磨時，碳化硼粉A、碳化硼粉B、 氮化硼粉的質量之和與磨球的質量比為1:6-10，
[0038] 控制轉速為100-300轉/min、控制球磨時間為3-5小時。濕磨后，烘干、研磨造粒備 用。
[0039] 本發(fā)明一種含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料的制備方法;碳化硼粉A、碳化硼粉B的 純度均勻大于等于99%。且剩余的雜質為Fe和/或石墨碳。
[0040] 本發(fā)明一種含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料的制備方法;步驟B中，將步驟A所得碳 化硼素坯裝于石墨罐中后移至石墨電熱的真空燒結爐內，抽真空至爐內氣壓小于O.lPa后 充入氬氣，開始升溫;升溫至1600-2000°C后保溫60-150min，隨爐冷卻，得到孔隙率為20-45%的碳化硼基體。
[0041] 本發(fā)明一種含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料的制備方法;碳化硼基體可根據實際 需求加工成所需要的形狀。
[0042] 本發(fā)明一種含鋯的碳化硼-鋁合金復合材料的制備方法;含鋯鋁合金是通過下述 方案制備的：
[0043] 按設計組分，配取純鋁、純銅、鋁錳、鋁鈦和鋁鋯中間合金后清洗，干燥，放入電弧 熔煉爐，抽真空