單相單一晶體結(jié)構(gòu)多組元過渡金屬共價鍵化合物制備方法
【專利說明】
[0001 ]技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種化合物及其制備方法。
[0002]【背景技術(shù)】過渡金屬碳化物、氮化物具有強的共價鍵，使此類化合物都具有一系列超越其他材料的優(yōu)異的性能，例如極高的熔點，較高的硬度，很好的耐磨性，強抗腐蝕性，耐磨損等，正是具有這些性能使得這類材料在高溫和耐磨等眾多領(lǐng)域都得到廣泛應用。但這些材料也同時具備共同的弱點:脆性大和難燒結(jié)，這兩大問題在一定程度上限制了這類材料更廣泛的應用。例如，為了解決使用中的脆性斷裂問題，通常是在材料中添加不同的纖維。而極高的燒結(jié)溫度，又對纖維材料的選擇成為問題。如常用的Al203、SiC等纖維，很難在超高溫下完整存在。SiC纖維在溫度超過2200°C將分解，目前還沒有超過這一溫度的新的品種。另一方面，即使采用較高的燒結(jié)溫度，多種這類化合物一般都會得到多相混合物的燒結(jié)組織，而這些多相混合組織使這類材料的物理的或力學的性能變得復雜，如不同相的影響、相界面的影響，等等。目前，人們?yōu)榱烁纳破錈Y(jié)活性采用了向材料中添加燒結(jié)助劑的辦法，利用的原理是通過加入低熔點的物質(zhì)從而使材料在較低溫度下產(chǎn)生液相，進而降低燒結(jié)溫度；另外，為了提高材料的韌性，盡量減少或者避免脆性斷裂的發(fā)生，人們經(jīng)常使用的方法是在材料中形成弱界面。這樣做雖然在一定程度上改善了燒結(jié)活性和韌性，但這是以犧牲材料的整體性能為代價的。
[0003]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明在于提供一種燒結(jié)溫度低、能夠保持和提高燒結(jié)體的硬度、強度和斷裂韌性的單相單一晶體結(jié)構(gòu)多組元過渡金屬共價鍵化合物制備方法。本發(fā)明主要是對多組元過渡族金屬T 1、Cr、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W的碳化物、氮化物為原料通過燒結(jié)制備成單相的共價鍵晶體結(jié)構(gòu)化合物塊體材料。
[0004]本發(fā)明的制備方法如下:
[0005]1、制備復合粉體:復合粉體的化學成分為多組元過渡族金屬1^、0、￥、2匕他、10、Hf、Ta、W的碳化物、氮化物；
[0006]2、將上述一種非化學計量比共價鍵化合物TiNx或TiCx與另外兩種或兩種以上的共價鍵化合物均勻混合，所述非化學計量比共價鍵化合物中0.3 0.8，另外兩種或兩種以上的共價鍵化合物按等摩爾的比例，允許誤差± 0.1mo1.;
[0007]3、將上述混合料裝入球磨罐中，然后將球磨罐密封后安裝在球磨機上進行球磨混料，球磨機轉(zhuǎn)速為60-100r/min，球磨時間為4h;打開球磨罐，將混合好的料取出，根據(jù)混合料的理論密度計算，稱取需獲得致密燒結(jié)體需要的復合粉體，并裝入事先準備好的石墨模具中，將上下壓頭塞入密封；
[0008]4、將上述裝填好復合粉體的石墨模具置于馬弗爐或熱壓燒結(jié)機直接熱壓燒結(jié)，抽真空至(6?9) X 10—3Pa，壓力控制在30-50MPa，進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度:1000°C-1700°C，保溫時間:10-60min，升溫速度:10-30°C/min ；壓頭壓力:30_50MPa ；保溫完成后，自然冷卻至1000°〇以下泄壓，自然冷卻至300°C以下停止抽真空；自然冷卻至60°C以下，解除真空，打開加熱倉，取出燒結(jié)體。高壓燒結(jié)在六面頂壓機上進行，不需真空，高壓腔壓力4.5-5.5GPa。
[0009]5、經(jīng)噴砂、打磨、去除表面層后，燒結(jié)體外觀光滑，組織致密，經(jīng)過X-射線衍射儀分析(XRD)，確定最終晶體結(jié)構(gòu)及相組成。
[0010]在多組元過渡族金屬配比中參與的組元無主次之分，分別是一種過渡族金屬共價鍵碳化物或氮化物，因而稱為組元。多組元是指多個不同的過渡族金屬共價鍵化合物，組元數(shù)至少為三種或三種以上。多組元體系中至少有一組元是非化學計量比過渡族金屬化合物，如TiCx或TiNx(0.3<X<0.8)o由多組元過渡族金屬碳化物、氮化物為原料制備塊體材料是通過高溫燒結(jié)制備的，制備的塊體材料為單相的共價鍵化合物，與組元中非化學計量比過渡族金屬化合物晶體結(jié)構(gòu)相同。
[0011]固態(tài)燒結(jié)是一種或多種固體粉末顆粒表面接觸下，通過高溫形成顆粒表面間的物質(zhì)交換，在低于熔點的溫度(一般為0.6?0.8/熔點溫度)條件下導致致密化和再結(jié)晶的過程，也就是說燒結(jié)過程其實就是材料內(nèi)部不斷致密化的過程。影響燒結(jié)的因素主要是燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間、物料粒度、物料活性以及各種添加物的影響。采用多種過渡族金屬共價鍵化合物為組元，保持組元之一為非化學計量比化合物(TiNx，或TiCx)，內(nèi)部存在較多的空位(氮或者碳)，提供了高溫下物質(zhì)內(nèi)部原子擴散的基本條件，使其具有高的燒結(jié)活性，從而實現(xiàn)降低這類材料燒結(jié)溫度，并且，燒結(jié)塊體的組織為同一晶體結(jié)構(gòu)的單相組織。對于韌性的改善，主要是改變了裂紋在晶體內(nèi)部的擴展阻力。對于一個晶粒而言，一般來說是單晶體，對于普通的共價鍵化合物的一個晶粒而言，當裂紋生成并且在應力作用下快速擴展時，是遵循著解理斷裂的形式瞬間穿過一個晶體的解理面而完成擴展的，使這類材料表現(xiàn)出脆性;而在多組元單相單一晶體結(jié)構(gòu)的一個晶粒中，同樣存在著解理面，但這個解理面與單一組元共價鍵化合物單個晶粒的解理面有所不同，這個解理面排布的原子不像單一組元晶體中解理面兩側(cè)原子排列的那樣整齊，而是由于多組元中金屬原子尺寸差異使得解理面“不整齊”，使得裂紋擴展受到阻礙，裂紋擴展路線“曲折漫長”，因而消耗了更多的應力，使整塊材料顯示出更好的韌性。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:
[0013]1、獲得的塊體材料是單相單一晶體結(jié)構(gòu)的共價鍵化合物，晶體結(jié)構(gòu)類型與非化學計量比化合物(TiNx或TiCx)相同；
[0014]2、降低了燒結(jié)溫度，并保持和提高燒結(jié)體的硬度、強度和斷裂韌性；
[0015]3、由于燒成后獲得的組織為單相化合物，無單質(zhì)元素，所以其耐熱性可達到1000
°C以上。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明實施例6不同溫度燒結(jié)的TiN0.3+NbC+VC的XRD圖。
[0017]圖2是本發(fā)明實施例7不同溫度燒結(jié)的TiN0.6+NbC+VC+TiC的XRD圖。
[0018]圖3是本發(fā)明實施例8不同溫度燒結(jié)的TiN0.4+NbC+VC+TiN+TaC的XRD圖。
[0019]圖4是本發(fā)明實施例10不同溫度燒結(jié)的TiN0.6+NbC+VC+TiC+TaC++WC+Mo2C的XRD圖。
[0020]圖5是本發(fā)明實施例11不同溫度燒結(jié)的TiC0.4+NbC+VC+TaC+Mo2C++WC的XRD圖。
【具體實施方式】
[0021]實施例1
[0022]將TiC0.4+NbC+VC復合粉體混合均勻，裝入球磨罐中，然后將球磨罐密封后安裝在球磨機上進行球磨混料，球磨機轉(zhuǎn)速為60r/min，球磨時間為4h;打開球磨罐，將混合好的料取出，根據(jù)混合料的理論密度計算，稱取需獲得致密燒結(jié)體需要的復合粉體，并裝入事先準備好的石墨模具中，將上下壓頭塞入密封;將上述裝填好復合粉體的石墨模具置于普通真空熱壓燒結(jié)機直接熱壓燒結(jié)，抽真空至6 X 10—3Pa，進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度:1300°C，保溫時間:60min，升溫速度:30°C/min ；壓頭壓力:60MPa ；保溫完成后，自然冷卻至1000°C以下泄壓，自然冷卻至300°C以下停止抽真空；自然冷卻至60°C以下，解除真空，打開加熱倉，取出燒結(jié)體；經(jīng)噴砂、打磨、去除表面層后，燒結(jié)體外觀光滑，組織致密，經(jīng)過X-射線衍射儀分析(XRD)，確定最終晶體結(jié)構(gòu)為面心立方fee型，相組成為單相(TiNbV)C0.5。
[0023]實施例2
[0024]將TiC0.5+NbC+VC+TiN復合粉體混合均勻，裝入球磨罐中，然后將球磨罐密封后安裝在球磨機上進行球磨混料，球磨機轉(zhuǎn)速為60r/min，球磨時間為4h;打開球磨罐，將混合好的料取出，根據(jù)混合料的理論密度計算，稱取需獲得致密燒結(jié)體需要的復合粉體，并裝入事先準備好的石墨模具中，將上下壓頭塞入密封;將上述裝填好復合粉體的石墨模具置于等離子