一种用于硼化锆基复合材料的复合粉及其制备方法技术

本发明专利技术一种用于硼化锆基复合材料的复合粉及其制备方法，涉及硼化物陶瓷基复合材料技术领域，该复合粉含有碳化硼粉、铝粉和氧化锆粉，其中碳化硼粉占复合粉总体质量的重量百分比为5～20%，铝粉加氧化锆粉占该总体复合粉质量的重量百分比为80～95%，氧化锆粉和铝粉之间的重量比例则为60～90:40～10；其制备方法的步骤是：按设定的重量百分比分别称取碳化硼粉、铝粉和氧化锆粉配制总体原料粉，于球磨机中制备混合料浆，喷雾干燥制得本发明专利技术的复合粉，克服了现有技术制备硼化锆基复合材料的方法所存在的原料成本高、工艺成本高、能耗大、效率低，所制备出的材料孔隙率高、均匀性差、组织粗化、韧性低和抗热震性差的缺陷。

Composite powder used for zirconium boride base composite material and preparation method thereof

The present invention relates to composite powder and preparation method of zirconium diboride based composite materials, and relates to the technical field of boride ceramic matrix composites, the composite powder containing boron carbide powder, alumina and zirconia powder, the boron carbide powder weight percentage of the overall quality of composite powder was 5 ~ 20%, aluminum and zirconium oxide powder the weight percentage of the overall quality of the composite powder is 80 ~ 95%, between zirconia powder and aluminum powder weight ratio is 60 ~ 90:40 ~ 10; the preparation method comprises the following steps: according to the weight percentage set separately weighed boron carbide powder, alumina and zirconia powder raw material powder in ball mill in general. Preparation of mixed slurry, spray drying to prepare the composite powder of the invention, the existing method to overcome existing technology for preparation of zirconium diboride based composite materials of high cost, high processing cost, high energy consumption, low efficiency, the The prepared materials have the defects of high porosity, poor uniformity, coarse microstructure, low toughness and poor thermal shock resistance.

【技术实现步骤摘要】
一种用于硼化锆基复合材料的复合粉及其制备方法
本专利技术的技术方案涉及硼化物陶瓷基复合材料
，具体地说是一种用于硼化锆基复合材料的复合粉及其制备方法。
技术介绍
随着宇航、航空、原子能和冶炼新技术等现代技术的发展，对高温高性能结构材料提出了越来越苛刻的要求，要求材料具有良好的抗高温性能以适应苛刻的作业环境，如抗热冲击、高温强度、耐腐蚀性和抗氧化性。硼化锆(ZrB2)具有高熔点(3245℃)、高硬度(>22GPa)、导电导热性好、良好的阻燃性、耐热性、好的化学稳定性、抗氧化性、耐腐蚀性以及良好的中子控制能力的特点，因而在航空航天的超高温结构部件、耐火材料、冶炼金属的电极材料、核控制材料、硬质工具材料、磨料以及耐磨部件领域有着十分广阔的应用前景。同时，利用先进的表面涂层技术可将硼化锆沉积于基体材料，如：钢、铸铁、铝合金、钛合金、镍基高温合金和金属间化合物等金属材料的表面，以及石墨、C/C复合材料和C/SiC复合材料等无机非金属材料的表面，即制备沉积于基体材料表面的硼化锆涂层材料，不仅可以提高基体材料的抗磨损、抗腐蚀、抗氧化和抗烧蚀性能，还可保持部件的力学性能和/或整体的轻重量。然而，目前采用的制备硼化锆基整体材料和涂层材料的复合粉的制备方法都存在一定的缺陷。CN201310560203.1公布了一种二硼化锆-碳化硅球形团聚体粉体的制备方法，以二硼化锆和碳化硅为原料，球磨混合得前驱体；向前驱体中加入无水乙醇混合，置入胶体磨中研磨、乳化，得混合粉体与无水乙醇的混合悬浊液；将所述悬浊液用液态送粉器和感应等离子体球化设备对其中的二硼化锆-碳化硅粉体进行团聚、球化及致密化处理，得到所述粉体。其缺陷是：第一，高纯ZrB2等原料价格昂贵，导致成本高；第二，制备过程中用无水乙醇作为液相介质，存在危险性；第三，复合粉的制备过程需要用感应等离子体球化设备对复合粉体进行团聚、球化及致密化处理，工艺复杂尤其是成本高；第四，由于原料ZrB2的熔点很高，在随后用于烧结制备块体陶瓷时难以烧结致密化、烧结温度高、工艺成本高，或者在随后用于喷涂过程时熔化程度较低，不易形成铺展，导致沉积效率低，涂层孔隙率高，且与基体的结合强度低，抗热震性差。CN201310364496.6公布了一种二硼化锆-碳化硅高温抗氧化涂层的制备方法，首先通过喷涂干燥法制备ZrB2-SiC包覆型复合粉末，然后通过超低压等离子喷涂技术制备ZrB2-SiC复合涂层。其缺陷是：第一，高纯ZrB2等原料价格昂贵，导致成本高；第二，ZrB2-SiC复合粉的制备过程烧结温度为1800℃～2200℃，保温2小时，烧结温度高，工艺成本高；第三，由于原料ZrB2的熔点很高，在随后用于喷涂过程时熔化程度较低，不易形成铺展，导致沉积效率低，涂层孔隙率高，且与基体的结合强度低，抗热震性差。CN200610117280.X公开了二硼化锆/三氧化二铝复合粉体的合成方法，包括如下步骤：1)原料采用金属Al、ZrO2和B2O3粉体，按Al、ZrO2和B2O3粉体的摩尔比为10∶3∶3配料；2)预混合，取料装入高能球磨机上的球磨罐，抽真空通氩气，磨球采用轴承钢球，球料比10∶1-1.5；3)球磨2-5小时，转速为500-600转/分钟，得到二硼化锆/三氧化二铝复合粉体。此方法的缺陷是：第一，由于B2O3容易挥发，对设备造成了很大的破坏；第二，采用此方法制备出的复合粉体为ZrB2/Al2O3复合粉体，由于ZrB2、Al2O3的熔点很高，将此种复合粉体用于制备块体陶瓷时难以烧结致密化、烧结温度高、工艺成本高，或者在随后用于喷涂过程时熔化程度较低，不易形成铺展，导致沉积效率低，涂层孔隙率高，且与基体的结合强度低，抗热震性差。CN200710037201.9公开了一种二硼化锆/三氧化二铝－铁复合粉末的制备方法，具体过程是将二氧化锆(ZrO2)、三氧化二硼(B2O3)和金属铝(Al)粉末均匀混合并模压成型，然后在常温下置于氩气保护的自蔓延高温合成装置中，点火燃烧，燃烧产物经粉碎后得到ZrB2-Al2O3陶瓷复相粉末；再将ZrB2-Al2O3与单质铁粉球磨混合制备ZrB2/Al2O3-Fe陶瓷/陶瓷-金属的复合粉末。此方法的缺陷是：第一，复合粉末制备方法中包括模压成型、自蔓延高温合成、球磨混合三种工艺，制备工艺复杂、工艺成本高；第二，采用此方法制备出的复合粉末为ZrB2/Al2O3-Fe复合粉末，采用此复合粉末制备硼化锆基块体陶瓷或涂层时金属Fe和ZrB2、Al2O3间不能发生反应生成陶瓷相，因此会以金属单质Fe的形式保留下来，将使制备出的硼化锆基块体陶瓷或涂层强度低、硬度低、耐磨性差、耐腐蚀性差、抗氧化性差、耐烧蚀性差。CN201510860859.4公布了一种喷涂粉体、热喷涂原位合成硼化锆-碳化锆基陶瓷涂层及其制备方法，提供了一种喷涂粉体，包括铝粉、氢化锆粉和碳化硼粉，其以铝粉、氢化锆粉和碳化硼粉为原料，首先制备铝/氢化锆/碳化硼复合粉体，随后将复合粉体进行等离子喷涂，得到硼化锆-碳化锆基陶瓷涂层。此方法的缺点在于：第一，喷涂粉体中的氢化锆在造粉和/或喷涂过程中分解产生氢气，造粉(即制备复合粉)过程中产生氢气是较危险的；第二，氢化锆、铝和碳化硼在喷涂过程中反应不完全，所得涂层孔隙率高，尤其是剩余的氢化锆相会弱化涂层性能。总之，现有技术中用于制备硼化锆基整体材料或涂层材料的复合粉的制备方法存在如下缺陷：1)原料ZrB2价格昂贵，制备工艺复杂，成本高。2)原料ZrB2熔点高，在随后用于烧结制备块体陶瓷时难以烧结致密化、烧结温度高、周期长、工艺成本高，所得ZrB2基整体材料强度和韧性相对较低、抗热震性能不足；或者在随后用于热喷涂过程时熔化程度较低，不易形成铺展，导致沉积效率低，所得ZrB2基涂层孔隙率高，且与基体的结合强度低，抗热震性差。3)氢化锆、铝和碳化硼在喷涂过程中反应不完全，所得涂层孔隙率高，尤其是剩余的氢化锆相会弱化涂层性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种用于硼化锆基复合材料的复合粉及其制备方法，采用资源丰富和价格低廉的原料粉，合成出成分均匀、球形度高、颗粒尺寸适中和流动性好的用于制备硼化锆基复合材料的复合粉，克服了现有技术制备硼化锆基复合材料的方法所存在的原料成本高、工艺成本高、能耗大、效率低，所制备出的材料孔隙率高、均匀性差、组织粗化、韧性低和抗热震性差的缺陷。本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：一种用于硼化锆基复合材料的复合粉，含有碳化硼粉、铝粉和氧化锆粉，其中碳化硼粉占复合粉总体质量的重量百分比为5～20％，铝粉加氧化锆粉占该总体复合粉质量的重量百分比为80～95％，氧化锆粉和铝粉之间的重量比例则为60～90:40～10。上述一种用于制备硼化锆基复合材料的复合粉，所述该复合粉的形状为球形或近球形，每个球形或近球形颗粒内部都含有氧化锆、碳化硼和铝三种成分，且三种成分均匀分布。上述一种用于制备硼化锆基复合材料的复合粉，所述该复合粉的粒度为-140目～+500目。上述一种用于制备硼化锆基复合材料的复合粉，所涉及的原料均通过公知途径获得。一种用于硼化锆基复合材料的复合粉的制备方法，具体步骤如下：第一步，配制总体原料粉：按设定的重量百分比分别称取碳化硼粉、铝粉和氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于硼化锆基复合材料的复合粉，其特征在于：含有碳化硼粉、铝粉和氧化锆粉，其中碳化硼粉占复合粉总体质量的重量百分比为5～20%，铝粉加氧化锆粉占该总体复合粉质量的重量百分比为80～95%，氧化锆粉和铝粉之间的重量比例则为60～90:40～10。

【技术特征摘要】
1.一种用于硼化锆基复合材料的复合粉，其特征在于：含有碳化硼粉、铝粉和氧化锆粉，其中碳化硼粉占复合粉总体质量的重量百分比为5～20%，铝粉加氧化锆粉占该总体复合粉质量的重量百分比为80～95%，氧化锆粉和铝粉之间的重量比例则为60～90:40～10。2.根据权利要求1所述一种用于制备硼化锆基复合材料的复合粉，其特征在于：所述该复合粉的形状为球形或近球形，每个球形或近球形颗粒内部都含有氧化锆、碳化硼和铝三种成分，且三种成分均匀分布。3.根据权利要求1所述一种用于制备硼化锆基复合材料的复合粉，其特征在于：所述该复合粉的粒度为-140目～+500目。4.一种用于硼化锆基复合材料的复合粉的制备方法，其特征在于具体步骤如下：第一步，配制总体原料粉：按设定的重量百分比分别称取碳化硼粉、铝粉和氧化锆粉三种原料，其中，原料碳化硼粉占总体原料粉质量的重量百分比为5～20%，原料铝粉加原料氧化锆粉占该总体原料粉质量的重量百分比为80～95%，原料氧化锆粉和原料铝粉之间的重量比例则为60～90:40～10，由此完成总体原料粉的配制；第二步，制备混合料浆：将第一步配制的总体原料粉置于球磨机中进行球磨混粉，再向球磨机中加入去离子水和粘结剂进行湿法球磨得到粘稠料浆，由此完成混合料浆的制备；第三步，制备用于硼化锆基复合材料的复合粉：将第二步制得的混合料浆进行喷雾干燥，制得组成成分为氧化锆/碳化硼/铝的用于硼化锆基复合材料的复合粉，该复合粉中所含碳化硼粉占复合粉总体质量的重量百分比为5～20%，所含铝粉加氧化锆粉占该总体复合粉质量的重量百分比为80～95%，氧化锆粉和铝粉之间的重量比...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨勇，褚振华，陈学广，王磊，阎殿然，张建新，董艳春，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12