一种易烧结的抗磨减摩高熵陶瓷材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种易烧结的抗磨减摩高熵陶瓷材料，该材料呈块体，其组成为(Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C‑xAl，x=0.5~9。同时，本发明还公开了该材料的制备方法。本发明从降低碳化物高熵陶瓷的烧结温度、烧结压力和改善其摩擦学性能的角度出发，通过添加第二相（Al）来改善碳化物高熵陶瓷的烧结活性，使所制备的碳化物高熵陶瓷材料在宽温域兼具优异的力学性能（硬度）和摩擦学性能（低磨损和摩擦系数），特别适用于在服役工况下要求较高硬度同时保持较低摩擦磨损的特殊工件。

权利要求

1.一种易烧结的抗磨减摩高熵陶瓷材料的制备方法，其特征在于：首先按质量百分比称取91 99.5% (Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C和0.5 9% Al，将各原料置于球磨机中；并在混合原料中~ ~加入其质量0.20 0.40倍的无水乙醇，混合均匀后，经30 50 ℃干燥、过筛，得到粒径为0.15~ ~

8 μm的混合粉末；所述混合粉末装入石墨模具中，经放电等离子烧结，即得高熵陶瓷块体~材料；该材料呈块体，其组成为(Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C‑xAl，x=0.5 9；所述放电等离子烧结的~条件是指真空度低于0.5 Pa，平均升温速度为50 100 ℃/min，烧结温度为1750 1900 ℃，~ ~压力为10 15 MPa，保温时间5 15 min。

~ ~

2.如权利要求1所述的一种易烧结的抗磨减摩高熵陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述(Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C是指按质量百分比计，将21.2%HfO2，14.5%MoO3，13.4%Nb2O5，22.3%Ta2O5，8.0%TiO2和20.6%石墨粉末混合均匀后，在真空度低于0.5 Pa、平均升温速度为50~85 ℃/min、烧结温度为1850 ℃、压力为15 MPa、保温20 min的条件下烧结得到高熵陶瓷材料，然后经高能球磨制得的粒径为0.15~2 μm的(Hf0.2Mo0.2Nb0.2Ta0.2Ti0.2)C高熵陶瓷粉末。

说明书

一种易烧结的抗磨减摩高熵陶瓷材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高熵陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种易烧结的抗磨减摩高熵陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 近年来，“高熵”作为一种新型的材料设计理论引起了人们的极大关注。其中高熵碳化物陶瓷因其优异的综合性能和潜在的应用前景而备受关注。目前关于碳化物高熵陶瓷材料的研究主要面临两个方面的挑战：（1）高致密碳化物高熵陶瓷材料的制备条件非常苛刻，其主要表现为烧结温度非常高，通常高达2000 2200 ℃，并且烧结压力也高达40 MPa，~甚至更高。因此，如何实现低温低压制备高致密碳化物高熵陶瓷材料是一个亟待解决的难题。（2）碳化物高熵陶瓷材料在大气高温环境下不具有润滑性能，摩擦系数较高，特别是在
900℃时易于氧化导致其较差的摩擦学性能。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种易烧结的抗磨减摩高熵陶瓷材料。

[0004] 本发明所要解决的另一个技术问题是提供该易烧结的抗磨减摩高熵陶瓷材料的制备方法。

[0005] 为解决上述问题，本发明所述的一种易烧结的抗磨减摩高熵陶瓷材料，其特征在于：该材料呈块体，其组成为(Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C‑xAl，x=0.5 9。~

[0006] 如上所述的一种易烧结的抗磨减摩高熵陶瓷材料的制备方法，其特征在于：首先按质量百分比称取91 99.5% (Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C和0.5 9% Al，将各原料置于球磨机中；并~ ~在混合原料中加入其质量0.20 0.40倍的无水乙醇，混合均匀后，经30 50 ℃干燥、过筛，得~ ~
到粒径为0.15 8 μm的混合粉末；所述混合粉末装入石墨模具中，经放电等离子烧结，即得~
高熵陶瓷块体材料。

[0007] 所述(Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C是指按质量百分比计，将21.2%HfO2，14.5%MoO3，13.4%Nb2O5，22.3%Ta2O5，8.0%TiO2和20.6%石墨粉末混合均匀后，在真空度低于0.5 Pa、平均升温速度为50 85 ℃/min、烧结温度为1850 ℃、压力为15 MPa、保温20 min的条件下烧结得到~高熵陶瓷材料，然后经高能球磨制得的粒径为0.15~2 μm的(Hf0.2Mo0.2Nb0.2Ta0.2Ti0.2)C高熵陶瓷粉末。

[0008] 所述放电等离子烧结的条件是指真空度低于0.5 Pa，平均升温速度为50 100 ℃/~min，烧结温度为1750 1900 ℃，压力为10 15 MPa，保温时间5 15 min。
~ ~ ~

[0009] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0010] 1、本发明从降低碳化物高熵陶瓷的烧结温度、烧结压力和改善其摩擦学性能的角度出发，通过添加第二相（Al）来改善碳化物高熵陶瓷的烧结活性，并在高温摩擦过程中可以生成摩擦膜，从而改善摩擦界面的接触状态，满足在一定温度范围内的抗磨减摩，来实现碳化物高熵陶瓷材料的低温低压制备与优异摩擦学性能的一体化设计。

[0011] 2、本发明首次实现低熔点Al（熔点约为660 ℃）来掺杂较高烧结温度的碳化物高熵陶瓷（通常的烧结温度为2000 ℃甚至更高）材料的可控制备，为制备各组分熔点相差较大的材料提供了新的途径。

[0012] 3、本发明通过掺杂Al，可以有效降低碳化物高熵陶瓷材料的烧结温度和压力，相较于未掺杂Al的碳化物高熵陶瓷材料，其烧结温度和压力分别降低了100 250 ℃和20 25 ~ ~MPa，实现碳化物高熵陶瓷材料低温低压下的制备。

[0013] 4、本发明通过掺杂Al可以有效地细化晶粒（本发明为1.5 μm，较未掺杂降低了3倍以上），所制备的材料具有优异机械性能，硬度可达17.6 Gpa。同时具有良好的抗磨减摩性能，其磨损率相较于未掺杂Al的碳化物高熵陶瓷，磨损率较低了2 3倍，摩擦系数低至0.52。~

[0014] 5、本发明制备工艺简单，通过调整配方和工艺参数，可以调控材料性能，所制备的碳化物高熵陶瓷材料在宽温域兼具优异的力学性能（硬度）和摩擦学性能（低磨损和摩擦系数），特别适用于在服役工况下要求较高硬度同时保持较低摩擦磨损的特殊工件。

附图说明

[0015] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

[0016] 图1为本发明实施例1制备的(Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C‑0.5Al的X射线衍射图。

[0017] 图2为本发明实施例2制备的(Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C‑5Al的在25℃时的摩擦系数。

[0018] 图3为本发明实施例3制备的(Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C‑9Al高熵陶瓷块体的断裂形貌。

具体实施方式

[0019] 一种易烧结的抗磨减摩高熵陶瓷材料，该材料呈块体，其组成为(Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C‑xAl，x=0.5 9。~

[0020] 该高熵陶瓷材料的制备方法：首先按质量百分比称取91 99.5% (Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑~Ti)C和0.5 9% Al，将各原料置于球磨机中；并在混合原料中加入其质量0.20 0.40倍的无~ ~
水乙醇，混合均匀后，经30 50℃干燥、过筛，得到粒径为0.15 8 μm的混合粉末；混合粉末装~ ~
入石墨模具中，在真空度低于0.5 Pa、平均升温速度为50 100 ℃/min、烧结温度为1750~ ~
1900 ℃、压力为10 15 MPa、保温时间5 15 min的条件下经放电等离子烧结，即得高熵陶瓷~ ~
块体材料。

[0021] 其中：(Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C是指按质量百分比计，将21.2%HfO2，14.5%MoO3，13.4%Nb2O5，22.3%Ta2O5，8.0%TiO2和20.6%石墨粉末混合均匀后，在真空度低于0.5 Pa、平均升温速度为50 85 ℃/min、烧结温度为1850 ℃、压力为15 MPa、保温20 min的条件下烧结得到~高熵陶瓷材料，然后经高能球磨制得的粒径为0.15~2 μm的(Hf0.2Mo0.2Nb0.2Ta0.2Ti0.2)C高熵陶瓷粉末。

[0022] 实施例1 一种易烧结的抗磨减摩高熵陶瓷材料，该材料呈块体，其组成为(Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C‑0.5Al。

[0023] 该高熵陶瓷材料的制备方法：

[0024] 首先按质量百分比（g/g）称取99.5% (Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C和0.5% Al，将各原料置于球磨机中；并在混合原料中加入其质量0.20 0.40倍的无水乙醇，混合均匀后，经30 50℃~ ~干燥、过筛，得到粒径为0.15 8 μm的混合粉末；混合粉末装入石墨模具中，在真空度低于~
0.5 Pa、平均升温速度为100 ℃/min、烧结温度为1900 ℃、压力为15 MPa、保温时间10 min的条件下经放电等离子烧结，即得高熵陶瓷块体材料。

[0025] 该材料的物相组成如图1所示。由图1可以看出，成功制备了高纯度的高熵陶瓷材料。

[0026] 实施例2 一种易烧结的抗磨减摩高熵陶瓷材料，该材料呈块体，其组成为(Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C‑5Al。

[0027] 该高熵陶瓷材料的制备方法：

[0028] 首先按质量百分比（g/g）称取95% (Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C和5% Al，将各原料置于球磨机中；并在混合原料中加入其质量0.20 0.40倍的无水乙醇，混合均匀后，经30 50℃干~ ~燥、过筛，得到粒径为0.15 8 μm的混合粉末；混合粉末装入石墨模具中，在真空度低于0.5 ~
Pa、平均升温速度为80 ℃/min、烧结温度为1850 ℃、压力为12 MPa、保温时间10 min的条件下经放电等离子烧结，即得高熵陶瓷块体材料。

[0029] 该材料在室温下的摩擦系数曲线如图2所示。由图2可以看出，所制备的高熵陶瓷材料在室温时具有优异的减摩性能，摩擦系数低至0.52左右，并且在摩擦过程中非常稳定，相较于未掺杂试样其摩擦系数降低了24%。

[0030] 实施例3 一种易烧结的抗磨减摩高熵陶瓷材料，该材料呈块体，其组成为(Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C‑9Al。

[0031] 该高熵陶瓷材料的制备方法：

[0032] 首先按质量百分比（g/g）称取91% (Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C和9% Al，将各原料置于球磨机中；并在混合原料中加入其质量0.20 0.40倍的无水乙醇，混合均匀后，经30 50℃干~ ~燥、过筛，得到粒径为0.15 8 μm的混合粉末；混合粉末装入石墨模具中，在真空度低于0.5 ~
Pa、平均升温速度为50 ℃/min、烧结温度为1750 ℃、压力为10 MPa、保温时间10 min的条件下经放电等离子烧结，即得高熵陶瓷块体材料。

[0033] 该材料的断裂形貌如图3所示。由图3可以看出，所制备的高熵陶瓷材料具有大小均匀的晶粒，平均为1.5 μm，较未掺杂其晶粒尺寸降低了3倍以上；与此同时，在相对较低的烧结温度（1750 ℃）和压力（10 MPa）下获得了没有明显气孔缺陷的高致密高熵陶瓷块体材料。

[0034] 上述实施例1 3中，(Hf‑Mo‑Nb‑Ta‑Ti)C的制备：~

[0035] 按质量百分比（g/g）计，将混合均匀的21.2%HfO2，14.5%MoO3，13.4%Nb2O5，22.3%Ta2O5，8.0%TiO2和20.6%石墨粉末在真空度低于0.5 Pa，平均升温速度为85 ℃/min，烧结温度为1850 ℃，压力为15 MPa，保温20 min的烧结条件下得到块体材料，经高能球磨获得粒径为0.15~2 μm的(Hf0.2Mo0.2Nb0.2Ta0.2Ti0.2)C高熵陶瓷粉末。

[0036] 对实施例1 3所得材料进行致密性及力学性能测试：~

[0037] 采用阿基米德原理测量所得材料的密度。测试结果表明所制备块体材料的相对密度为98.0 99.2 %。~

[0038] 采用维式显微硬度计测试所得材料的硬度，测试条件为：载荷5 kg，加载持续时间10 s。测试结果如表1所示。结果表明所制备块体材料的硬度在室温 900 ℃时为10 17.6 ~ ~
GPa。

[0039] 表1：本发明高熵陶瓷块体材料在25 900 ℃的硬度~

[0040] 对实施例1 3所得材料进行大气摩擦学性能测试：~

[0041] 摩擦磨损实验采用HT‑1000试验机进行评价，对偶球为Al2O3陶瓷，载荷为5 N，滑动线速度为0.10 m/s，摩擦半径为4 mm，行程为200 m，测试温度为25 ℃， 300 ℃，600 ℃和900 ℃，摩擦系数和磨损率为3次试验平均值。实验结果如表2所示。

[0042] 表2：本发明高熵陶瓷块体材料与Al2O3陶瓷球配副的摩擦系数和磨损率[0043] 由表2可以看出，所制备的高熵陶瓷块体材料在宽温域具有优异的抗磨减摩性能，在25 ℃，摩擦系数低至0.52左右；在300 900 ℃时，平均摩擦系数在0.76 0.95范围内。特~ ~别是在300℃时，通过掺杂Al可使其摩擦系数降低20%（未掺杂试样的摩擦系数高达1.1）。而‑7 3 ‑6 3 ‑4
磨损率在25 300 ℃时为10 mm/Nm量级，在600 ℃时为10  mm/Nm量级，在900 ℃时为10  ~
3
mm/Nm量级；但是相较于未掺杂Al的高熵陶瓷材料（未掺杂试样的磨损率在900℃为9.2×‑4 3
10  mm/Nm），掺杂Al的试样磨损率在宽温域下降低了2 3倍。
~