一种B4C-HEAs梯度材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉一种B4C‑HEAs梯度材料及其制备方法。该梯度材料由N层材料烧结为一体结构，其中N≥5，N层材料自上而下由富陶瓷层通过多个中间层逐步过渡到富金属层，每层的HEAs质量呈梯度上升变化，所述HEAs是由机械合金方法制备的合金粉末，所述富陶瓷层的HEAs含量为1wt％～50wt％，硅的含量为0wt％～5wt％，其余为B4C；所述富金属层的HEAs含量为50wt％～100wt％，硅的含量为0wt％～5wt％，其余为B4C。本发明专利技术的制备方法包括混料步骤、分段烧结步骤和连接步骤。本发明专利技术分段烧结梯度材料，每层都具有高致密度，再将几段少层梯度材料连接成多层梯度材料，材料整体梯度结构更加丰富，显著降低烧结温度，减少烧结成本；所制备的材料整体强度高、各层致密度高、界面连接好且具有明显梯度形貌和性质变化。

A B4C-HEAs gradient material and its preparation method

The invention relates to a B4C HEAs gradient material and a preparation method thereof. The gradient material is sintered into an integral structure by N-layer material, in which N is greater than or equal to 5, N-layer material is gradually transited from ceramic-rich layer to metal-rich layer from top to bottom through multiple intermediate layers, and the HEAs mass of each layer varies gradiently. The HEAs is alloy powder prepared by mechanical alloying method, and the HEAs content of the ceramic-rich layer is 1 wt%~5. 0 wt%, 0 wt% ~ 5 wt% of silicon and B4C of the rest; the HEAs content of the metal-rich layer is 50 wt% ~ 100 wt%, the silicon content is 0 wt% ~ 5 wt%, and the rest is B4C. The preparation method of the invention includes mixing steps, subsection sintering steps and connecting steps. The segmented sintered gradient material has high density in each layer, and several segmented gradient materials are connected into multi-layer gradient materials. The whole gradient structure of the material is richer, the sintering temperature is significantly reduced, and the sintering cost is reduced. The morphology and properties of the gradient were changed.

【技术实现步骤摘要】
一种B4C-HEAs梯度材料及其制备方法
本专利技术属于陶瓷和金属复合材料
，具体涉及一种B4C-HEAs梯度材料及其制备方法。
技术介绍
功能梯度材料(FunctionalGradedMaterials，简称FGM)是由日本学者Kawasaki和Watanab在上世纪80年代首先提出和制备的，具有优异的抗热震性能和抗裂纹扩展性能。FGM现已成功应用于多个领域，例如核工程中的核反应第一层壁及周围材料、等离子体测试和控制用窗口材料；机械工程中的陶瓷发动机、耐磨机械构件、耐热机械构件和耐腐蚀机械构件；生物工程材料中的人造齿、人造骨/人造关节和人造脏器以及轻质陶瓷材料等。梯度材料是新型防护科技中的一项关键技术，是现代生产发展中不可缺少的生存之术。陶瓷材料具有高硬度、低密度的特点，以其作为材料不仅能消耗冲击物的动能，还可借助高熔点的特性来分散金属冲击物的熔融金属射流，是优良的材料之一。碳化硼(B4C)是陶瓷材料中密度最小的，甚至比铝还低，仅为2.52g/cm3。其硬度在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼(CBN)，尤其是近于恒定的高温硬度(>30GPa)更是远远超过金刚石和CBN，同时B4C还具有高熔点(2450℃)、高模量、耐磨性好、耐酸碱性强等特点，并具有良好的中子、氧气吸收能力、较低的膨胀系数(5.0×10-6·K-1)、热电性能(140S/m，室温)。但由于B4C结构中存在90％以上的共价键导致其自扩散系数很低难以烧结，需加入第二相材料进行复合，在加入第二相材料的同时，如何保持其耐腐蚀、高硬度等特性是一个难题。叶均蔚等在1995年突破材料设计的传统理念，在非晶合金基础上提出了新的合金设计理念，称之为多主元高熵合金(HighEntropyAlloys,HEAs)。高熵合金是由5种以上元素组元按照等原子比或近等原子比合金化，一般形成固溶体的一类混合熵较高的合金。由于具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应、性能上的鸡尾酒效应，容易获得热稳定性高的固溶体相和纳米结构甚至非晶结构，高熵合金具有高强度、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性、高耐腐蚀性等传统合金所不能同时具备的优异性能，成为近些年来最有发展潜力的3大热点之一，具有很高的学术研究价值。同时高熵合金与陶瓷具有良好的润湿性，与陶瓷共存时能形成低共熔点的中间相，降低陶瓷的烧结温度，提高陶瓷的致密度。S.Suresh、A.Morthesen在《FundamentalsofFunctionallyGradedMaterials》(IMOCommunicationsLtd.1998)一书指出：B4C基梯度材料的制备方法有浸入法、自蔓延高温合成法和铺层烧结法等。浸入法是先制备B4C多孔梯度材料，然后将高温下熔融态的低熔点金属浸入其中来制备连续性梯度材料的方法，其缺点是材料的梯度变化不规则，难以保持同一深度的组成均匀性；自蔓延高温合成法是通过自蔓延体系两相或多相放热反应燃烧粉末预制块，利用粉末预制块初始反应物分布的空间变化来制备梯度材料的方法，由于自蔓延反应非常剧烈，反应经常伴随液相产生，这有利于致密化，但是液相停留时间相当短，此种工艺制备的梯度材料也很难保证同一初始反应物分布层的均匀性；现有的铺层烧结法是将不同配比的粉体物料在模具中依次铺层，再将其整体烧结的制备方法，由于不同配比的粉体物料最佳烧结温度不同，因此这种方法不能保证各层都有高的密实度，尤其在多层梯度材料中这种缺点更为明显。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题之一是提供一种兼顾低密度和高强度的B4C-HEAs梯度材料。本专利技术所要解决的技术问题之二是提供一种B4C-HEAs梯度材料的制备方法，可解决现有B4C基梯度材料的各种制备方法分别在梯度规则性和密实度方面存在的问题。为实现上述目的，本专利技术公开的技术方案是：一种B4C-HEAs梯度材料，所述B4C-HEAs梯度材料由N层材料烧结为一体结构，其中N≥5，N层材料自上而下由富陶瓷层通过多个中间层逐步过渡到富金属层，每层的HEAs的质量呈梯度上升变化，所述HEAs是由机械合金方法制备的合金粉末，所述富陶瓷层的HEAs含量为1wt％～50wt％，硅的含量为0wt％～5wt％，其余为B4C；所述富金属层的HEAs含量为50wt％～100wt％，硅的含量为0wt％～5wt％，其余为B4C。上述方案中，相邻两层之间HEAs含量的变化量为1wt％～10wt％，相邻两层之间B4C含量的变化量为1wt％～10wt％。上述方案中，每层厚度1mm～10mm。上述方案中，所述HEAs是以Co、Cr、Fe、Ni、Al、Cu、Zn、Ti、Mn、Zr、Ta、Sn、Y、Mo、V、Nb、W、Ir、Cd元素中选取五种或五种以上以等原子比混合制备而得。所述的B4C-HEAs梯度材料的制备方法，包括如下步骤：(1)混料步骤：将N份原料分别倒入混料罐，利用滚筒球磨机混料，混合后的料浆干燥过筛后得到N份混合料，N≥5；N份原料中，第1份原料的组成为：HEAs合金粉体含量为1wt％～50wt％，硅粉的含量为0wt％～5wt％，其余为B4C粉；第N份原料的组分比为：HEAs合金粉体含量为50wt％～100wt％，硅粉的含量为0wt％～5wt％，其余为B4C粉；自第1份原料到第N份原料，每份原料的HEAs合金粉体含量呈梯度上升变化，相邻两份原料的HEAs合金粉体含量的变化量为1wt％～10wt％；(2)分段烧结步骤：将所述N份混合料按照HEAs合金粉体含量递增的顺序，分为2M-1组，M＝2～4，其中，各偶数组仅包括1份混合料，各奇数组包括多份混合料，将M个奇数组分别置入M个石墨模具中，在各石墨模具中，按照HEAs合金粉体含量递增的顺序，将各份混合料依次铺层，混合料与石墨模具之间以石墨纸隔开；然后将填充混合料的M个石墨模具分别在1000℃～1800℃的不同温度下进行热压烧结或放电等离子体烧结，得到M个烧结料；(3)连接步骤：按照HEAs合金粉体含量递增的顺序，将对应1号组和3号组的两个烧结料中间夹以2号组的混合料，置于石墨模具中，在1500℃～1700℃温度下进行热压烧结或放电等离子体烧结，得到多层梯度材料；若M＝2，则连接结束，所述多层梯度材料即为制得的梯度材料；若M＞2，继续按照HEAs合金粉体含量递增的顺序，将所述多层梯度材料和对应5号组的烧结料中间夹以4号组的混合料，置于石墨模具中，在1200℃～1600℃温度下进行热压烧结或放电等离子体烧结；如此继续，直至将对应第2M-1组的烧结料进行热压烧结或放电等离子体烧结，最后烧结温度为1100℃～1500℃，得到梯度材料。上述方案中，所述混料步骤中，所述HEAs合金粉体纯度大于或等于99.5％，粒度为325目，其中氧含量小于或等于0.3％；所述硅粉纯度大于或等于99.999％，粒度为325目，含氧量小于或等于0.001wt％；所述B4C粉纯度大于或等于99.0％，平均粒径1-10μm，含氧量小于或等于0.6wt％。上述方案中，所述混料步骤中，利用滚筒球磨机混料的条件为：介质为无水乙醇和玛瑙球，球料比为4:1～10:1，转速为60转/分钟～120转/分钟，总时间为12小时～24小时。上述方案中，所述分段烧结步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种B4C‑HEAs梯度材料，其特征在于，所述B4C‑HEAs梯度材料由N层材料烧结为一体结构，其中N≥5，N层材料自上而下由富陶瓷层通过多个中间层逐步过渡到富金属层，每层的HEAs质量呈梯度上升变化，所述HEAs是由机械合金方法制备的合金粉末，所述富陶瓷层的HEAs含量为1wt％～50wt％，硅的含量为0wt％～5wt％，其余为B4C；所述富金属层的HEAs含量为50wt％～100wt％，硅的含量为0wt％～5wt％，其余为B4C。

【技术特征摘要】
1.一种B4C-HEAs梯度材料，其特征在于，所述B4C-HEAs梯度材料由N层材料烧结为一体结构，其中N≥5，N层材料自上而下由富陶瓷层通过多个中间层逐步过渡到富金属层，每层的HEAs质量呈梯度上升变化，所述HEAs是由机械合金方法制备的合金粉末，所述富陶瓷层的HEAs含量为1wt％～50wt％，硅的含量为0wt％～5wt％，其余为B4C；所述富金属层的HEAs含量为50wt％～100wt％，硅的含量为0wt％～5wt％，其余为B4C。2.如权利要求1所述的B4C-HEAs梯度材料，其特征在于，相邻两层之间HEAs含量的变化量为1wt％～10wt％，相邻两层之间B4C含量的变化量为1wt％～10wt％。3.如权利要求1所述的B4C-HEAs梯度材料，其特征在于，每层厚度1mm～10mm。4.如权利要求1所述的B4C-HEAs梯度材料，其特征在于，所述HEAs是以Co、Cr、Fe、Ni、Al、Cu、Zn、Ti、Mn、Zr、Ta、Sn、Y、Mo、V、Nb、W、Ir、Cd元素中选取五种或五种以上以等原子比混合后制备而得。5.如权利要求1至4任一项所述的B4C-HEAs梯度材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)混料步骤：将N份原料分别倒入混料罐，利用滚筒球磨机混料，混合后的料浆干燥过筛后得到N份混合料，N≥5；N份原料中，第1份原料的组成为：HEAs合金粉体含量为1wt％～50wt％，硅粉的含量为0wt％～5wt％，其余为B4C粉；第N份原料的组分比为：HEAs合金粉体含量为50wt％～100wt％，硅粉的含量为0wt％～5wt％，其余为B4C粉；自第1份原料到第N份原料，每份原料的HEAs合金粉体含量呈梯度上升变化，相邻两份原料的HEAs合金粉体含量的变化量为1wt％～10wt％；(2)分段烧结步骤：将所述N份混合料按照HEAs合金粉体含量递增的顺序，分为2M-1组，M＝2～4，其中，各偶数组仅包括1份混合料，各奇数组包括多份混合料，将M个奇数组分别置入M个石墨模具中，在各石墨模具中，按照HEAs合金粉体含量递增的顺序，将各份混合料依次铺层，混合料与石墨模具之间以...

【专利技术属性】
技术研发人员：季伟，柯博仁，傅正义，王为民，王皓，王玉成，张金咏，张帆，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42