一种细化过渡族高熵碳化物陶瓷晶粒的方法技术

本发明专利技术公开了一种细化过渡族高熵碳化物陶瓷晶粒的方法，该方法是将多组元过渡金属氧化物粉末和低于理论摩尔量的碳粉通过球磨混合，得到混合粉末；将所述混合粉料压制成型，所得压坯进行碳热还原，得到预固溶体；将预固溶体依次进行破碎、装模、预压和放电等离子烧结，得到纳米晶高熵碳化物陶瓷。该方法通过调控碳计量，并结合碳热还原与放电等离子体烧结等技术手段获得纳米晶过渡族高熵碳化物陶瓷，对过渡族高熵碳化物陶瓷的硬度与断裂韧性有明显的提升作用。的提升作用。的提升作用。

【技术实现步骤摘要】
一种细化过渡族高熵碳化物陶瓷晶粒的方法


[0001]本专利技术涉及一种细化过渡族高熵碳化物陶瓷晶粒的方法，具体涉及一种通过调控碳计量、利用碳热还原与放电等离子烧结相结合的技术手段细化过渡族高熵碳化物陶瓷晶粒尺寸的方法，属于陶瓷材料领域。

技术介绍

[0002]随着科技技术的发展，人类对太空的探索不断扩大，航空航天领域得到快速发展，材料服役条件变得愈加苛刻，特别是对于超高温陶瓷材料，其中过渡族金属碳化物展现出极高熔点(＞3000℃)和优异的性能。然而随着探索的不断深入以及国家间的太空竞赛较量，对材料的要求愈发严格，传统二元过渡族金属碳化物也遇到了性能上限。基于熵稳定策略，一系列多组元单相过渡族碳化物—高熵碳化物陶瓷问世，与传统二元过渡族碳化物相比，高熵碳化物陶瓷表现出更优异的抗氧化性能、机械性能与热稳定性，大大拓宽了超高温陶瓷的领域，成为极端工作环境的潜力材料，如超高温核反应堆、喷气发动机及超高音速飞行器等，同时具有高熔点、高硬度以及优异的抗腐蚀能力，也使其切削工具和高精度模具等少数尖端技术的关键材料。如何进一步优化过渡族高熵碳化物陶瓷性能是当前过渡族高熵碳化物陶瓷领域的研究热点之一。
[0003]细晶强化机制在增硬的同时可以获得增韧，为有效实现陶瓷材料增强增韧的方法之一。目前，科研工作者多采用的办法是：在基体中引入第二相，阻碍基体中晶粒生长达到晶粒细化。文献(“Gradient microstructure development and grain growth inhibition in high
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entropy carbide ceramics prepared by reactive spark plasma sintering”,Wei Xiao Feng.,Journal of the European Ceramic Society,2020,40(4):935
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941)报道了通过球磨将各碳化物粉体与SiC均匀混合，通过放电等离子体烧结工艺实现固溶烧结，在(ZrTaWTi)C基体中引入SiC，阻碍烧结过程中晶粒过分长大，细化晶粒得到3μm左右的细晶，另一方面对位错运动造成阻碍，二者协同提升陶瓷硬度。文献(“Isolating strengthening contributions in multiphase high entropy(Zr
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Ta
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W
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Ti)C
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SiC based carbide ceramics”,Rana,Divya.,International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2023,110:106024)公开了针对(Ti
0.2
Hf
0.2
Nb
0.2
Ta
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W
0.2
)C高熵碳化物陶瓷，将过渡族氧化物粉与还原碳粉混合，在放电等离子烧结过程中分布实现碳热还原与固溶单相，实现局域晶粒细化，芯部获得10μm细晶，获得较高硬度，而外围晶粒尺寸达到25μm。
[0004]上述细化过渡族高熵碳化物陶瓷晶粒的方法对晶粒细化程度有限，细化范围不均，晶粒尺寸仅达到微米级，硬度提升幅度较小。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中传统的细化过渡族高熵碳化物陶瓷晶粒的方法难以实现纳米化及均匀化细化等技术问题，本专利技术的目的是在于提供一种细化过渡族高熵碳化物陶瓷晶粒的方法，该方法主要通过碳计量调控、碳热还原及放电等离子体等组合技术手段，能够实现
过渡族高熵碳化物陶瓷的晶粒均匀细化、纳米化，从而得到高硬度的过渡族高熵碳化物陶瓷。
[0006]为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种细化过渡族高熵碳化物陶瓷晶粒的方法，该方法包括以下步骤：
[0007]1)将多组元过渡金属氧化物粉末和碳粉通过球磨混合，得到混合粉末；所述多组元过渡金属氧化物粉末中各过渡金属氧化物粉末的用量按照理论摩尔量计量；所述碳粉的用量为理论摩尔量的70～90％；
[0008]2)将所述混合粉料压制成型，得到压坯；
[0009]3)将压坯进行碳热还原，得到预固溶体；
[0010]4)将预固溶体依次进行破碎、装模、预压和放电等离子烧结，得到纳米晶高熵碳化物陶瓷。
[0011]本专利技术的过渡族高熵碳化物陶瓷指包含多种等原子比或近等原子比的过渡金属阳离子，且具有单一晶体结构的多组元过渡金属碳化物，其体系中每个金属元素的原子分数大于5％且不超过35％，目前研究的高熵碳化物陶瓷中的金属元素主要包括第Ⅳ族(Ti、Zr、Hf)、第
Ⅴ
族(V、Nb、Ta)和第
Ⅵ
族(Cr、Mo、W)金属元素。本专利技术以Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、W、Mo过渡金属元素按照等原子比形成的高熵碳化物陶瓷为例进行具体说明，本专利技术涉及的高熵碳化物陶瓷类型不局限于例举的(TiZrHfVNbTaWMo)C8高熵碳化物陶瓷，只是以其为例来说明怎么提升高熵碳化物陶瓷中晶粒的细度和均匀性。
[0012]本专利技术的技术方案的关键在于通过碳计量调控、碳热还原及放电等离子体等组合技术手段，来实现过渡族高熵碳化物陶瓷的晶粒均匀细化和纳米化。首先，通过控制高熵碳化物陶瓷原料体系中的碳含量低于理论量，当碳计量过低时，体系中各过渡族金属难以实现完全固溶，无法形成单一岩盐相结构，基体中出现大量元素富集区，性能较差，当碳计量过多时，在体系中会形成游离碳，而位于晶粒内部的游离碳会使得晶粒过度长大，同时降低材料硬度，在将碳控制在理论量的70～90％范围内，可以获得单一岩盐相结构的过渡族高熵碳化物陶瓷，同时避免基体中游离碳的出现，控制晶粒大小，实现晶粒细化，获得高硬度的细晶过渡族高熵碳化物陶瓷。在此基础上，通过球磨使过渡族氧化物粉与还原碳粉均匀分布，并通过碳热还原可以实现过渡族金属氧化物实现碳化的同时达到预固溶效果，使其能够进一步降低烧结温度与烧结时间，对碳热还原后坯体进行破碎、预压，能够促进烧结过程中致密化进程，进一步降低烧结温度与时间，避免高能烧结过程中晶粒过度长大，在临界碳配比与临界烧结温度及时间下，最终得到均匀纳米化细晶过渡族高熵碳化物陶瓷。
[0013]作为一个优选的方案，所述碳粉的理论摩尔量按照多组元过渡金属氧化物粉末中过渡金属元素全部转化成一碳化物且氧元素全部转化成一氧化碳所需的碳元素计量。以(TiZrHfVNbTaWMo)C8高熵碳化物陶瓷体系为例，碳粉的理论摩尔量按照以下化学反应式计量：量：过渡金属氧化物粉末在碳热还原过程中氧原子全部被碳原子结合为CO逸出，而剩余碳原子分布在过渡族高熵碳化物陶瓷岩盐结构的阴离子位。
[0014]作为一个优选的方案，所述多组元过渡金属氧化物粉末中各过渡金属氧化物粉末
的纯度均在99.9％以上，粒径在
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100～+400目范围内。作为一个优选的方案，所述碳粉的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种细化过渡族高熵碳化物陶瓷晶粒的方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将多组元过渡金属氧化物粉末和碳粉通过球磨混合，得到混合粉末；所述多组元过渡金属氧化物粉末中各过渡金属氧化物粉末的用量按照理论摩尔量计量；所述碳粉的用量为理论摩尔量的70～90％；2)将所述混合粉料压制成型，得到压坯；3)将压坯进行碳热还原，得到预固溶体；4)将预固溶体依次进行破碎、装模、预压和放电等离子烧结，得到纳米晶高熵碳化物陶瓷。2.根据权利要求1所述的一种细化过渡族高熵碳化物陶瓷晶粒的方法，其特征在于：所述碳粉的理论摩尔量按照多组元过渡金属氧化物粉末中过渡金属元素全部转化成一碳化物且氧元素全部转化成一氧化碳所需的碳元素计量。3.根据权利要求1所述的一种细化过渡族高熵碳化物陶瓷晶粒的方法，其特征在于：所述多组元过渡金属氧化物粉末中各过渡金属氧化物粉末的纯度均在99.9％以上，粒径在
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100～+400目范围内；所述碳粉的纯度在99.9％以上，粒径在
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100～+400目范围内。4.根据权利要求1、2或3所述的一种细化过渡族高熵碳化物陶瓷晶粒的方法，其特征在于：所述球磨混合包括湿法球磨和干燥过程；所述湿法球磨的过程中，分散介质为无水乙醇，液固比为0.5～1.5mL/g，球磨转速控制为300～700rpm，正向球磨时间控制为0.5～1.5h，反向球磨时间控制为0.5～1.5h，球磨间隙时间控制为0～10min，球磨总...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴正刚，徐静茹，张卫东，胡忠德，何流，彭飞，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：