一种过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷及其制备方法和应用，属于高熵金属陶瓷领域。本发明专利技术提供的过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷由硬质相和高熵合金粘结相的混合物经烧结得到，所述硬质相为过渡金属碳氮化物基高熵陶瓷粉末，所述粘结相为高熵合金粉末。本发明专利技术提供的过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷兼具了高韧性、高硬度和高强度等性能，实施例结果表明，本发明专利技术制备得到的过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷的断裂韧性为10.2～19.8MPa·m

A transition metal carbonitride based high entropy cermet and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷及其制备方法和应用
本专利技术涉及高熵金属陶瓷领域，尤其涉及一种过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷及其制备方法和应用。
技术介绍
金属陶瓷是一种复合材料，由金属和陶瓷粉末经烧结制成，兼有金属和陶瓷的某些优点，其在机械制造、高端刀具、耐磨耐蚀、高温涂层、国防装备等领域得到广泛应用。金属陶瓷根据组成的不同，可分为氧化物基金属陶瓷、碳化物基金属陶瓷、氮化物基金属陶瓷、硼化物基金属陶瓷、硅化物基金属陶瓷等等。现有技术常见的金属陶瓷材料中陶瓷材料(即硬质相)为TiC和/或WC，金属(即粘结相)为Co和/或Ni，上述常见的金属陶瓷材料力学性能较低，限制了金属陶瓷的广泛应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷及其制备方法和应用，本专利技术提供的过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷力学性能较好，断裂韧性为10.2～19.8MPa·m1/2，高温硬度为22.0～29.9GPa，强度为2100～3450MPa。本专利技术提供了一种过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷，所述过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷由硬质相和粘结相的混合物经烧结得到，所述硬质相为过渡金属碳氮化物基高熵陶瓷粉末，所述粘结相为高熵合金粉末；所述硬质相包括金属主元和非金属主元，所述金属主元由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的五种或者五种以上元素组成；所述非金属主元由C和N组成；所述粘结相由Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Sc、Y、La、Ce、Pr、Er和Sm中的五种或者五种以上元素组成。优选的，所述硬质相和粘结相的混合物中粘结相的质量分数为5～35％。优选的，所述硬质相的制备方法包括以下三种并列方法：(i)将金属主元对应的氧化物和碳源混合后，依次进行高能球磨和热处理，所述热处理在氮气气氛中进行，得到过渡金属碳氮化物高熵陶瓷粉末；或者，(ii)将金属主元对应的盐、碳源和水混合后，依次进行浓缩和干燥处理，得到前驱体粉末；再将所述前驱体粉末进行热处理，所述热处理在氮气气氛中进行，得到过渡金属碳氮化物高熵陶瓷粉末；或者，(iii)将金属主元对应的盐、碳源和水混合后，进行水热反应，然后将水热反应产物进行热处理，所述热处理在氮气气氛中进行，得到过渡金属碳氮化物高熵陶瓷粉末。优选的，所述(i)、(ii)和(iii)中热处理的温度独立地为1400～1800℃，热处理的时间独立地为0.5～4h。优选的，所述(iii)中水热反应的温度为160～240℃，时间为4～16h。本专利技术还提供了上述技术方案所述过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：将硬质相和粘结相依次经球磨混合、制粒、压制、烧结和冷却处理，得到过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷。优选的，所述球磨混合的球料比为4～12:1，球磨的介质为无水乙醇和/或丙酮，球磨混合的时间为24～72h。优选的，所述烧结的温度为1350～1500℃，烧结的时间为0.5～4h。优选的，所述压制的压力为150～250MPa，压制的时间为10s～30s。本专利技术还提供了上述技术方案所述过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷或者上述技术方案所述方法制备得到的过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷在陶瓷刀具中的应用。本专利技术提供了一种过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷，所述过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷由硬质相和粘结相的混合物经烧结得到，所述硬质相为过渡金属碳氮化物基高熵陶瓷粉末，所述粘结相为高熵合金粉末；所述硬质相包括金属主元和非金属主元，所述金属主元由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的五种或者五种以上元素组成；所述非金属主元由C和N组成；所述粘结相由Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Sc、Y、La、Ce、Pr、Er和Sm中的五种或者五种以上元素组成。在本专利技术中，硬质相和粘接相均具有多种金属元素主元(主元数量≥5种)、且主元原子占比相近，这使得无论是硬质相还是粘接相，都具有极高的化学混乱度(即具有极高的构型熵)，从而具有优异的力学性能；此外各主元元素往往都携带有各自的特有属性，例如Hf和Ta等可改善红硬性、Cr可提高耐腐蚀性、V和Cu可改善韧性、W可显著改善界面润湿性、稀土元素可净化强化界面等等，本专利技术通过这些主元间的协同作用，使过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷兼具了高强度、高硬度、高韧性等性能。实施例结果表明，本专利技术提供的过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷的断裂韧性为10.2～19.8MPa·m1/2，高温硬度为22.0～29.9GPa，强度为2100～3450MPa。本专利技术还提供了上述技术方案所述过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷的制备方法，本专利技术提供的方法操作简单、容易推广，采用上述方法制备得到的过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷具有性质稳定、力学性能优异等特点。具体实施方式本专利技术提供了一种过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷，所述过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷由硬质相和粘结相的混合物经烧结得到，所述硬质相为过渡金属碳氮化物基高熵陶瓷粉末，所述粘结相为高熵合金粉末。在本专利技术中，所述硬质相包括金属主元和非金属主元，所述金属主元由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的五种或者五种以上元素组成；所述非金属主元由C和N组成。在本专利技术中，所述粘结相由Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Sc、Y、La、Ce、Pr、Er和Sm中的五种或者五种以上元素组成。在本专利技术中，所述硬质相的晶体结构优选为金属元素与非金属元素嵌套形成的面心立方结构或/和体心立方结构。在本专利技术中，所述硬质相的金属主元中不同金属的物质的量优选相同或相近似；所述硬质相的化学式优选为：(TiaVbCrcZrdNbeMofHfgTahWi)(CxNy)，其中a+b+c+d+e+f+g+h+i＝1，且a～i中至少有5个值＞0；x+y＝1，且x、y均＞0；进一步优选为下列化学式中的任意一种：(Ti0.2V0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2)(C0.5N0.5)；(Ti1/9V1/9Cr1/9Zr1/9Nb1/9Mo1/9Hf1/9Ta1/9W1/9)(C0.3N0.7)；(Ti0.2V0.2Cr0.2Mo0.2W0.2)(C0.6N0.4)；(Zr0.2Nb0.2Mo0.2Ta0.2W0.2)(C0.1N0.9)；(Ti0.2V0.2Zr0.2Nb0.2Mo0.2)(C0.9N0.1)；(Ti0.2V0.2Zr0.2Nb0.2Mo0.2)(C0.1N0.9)；(Ti1/8V1/8Cr1/8Zr1/8Nb1/8Mo1/8Hf1/8Ta1/8)(C0.3N0.7)；(V1/7Cr1/7Zr1/7Nb1/7Mo1/7Hf1/7Ta1/7)(C0.5N0.5)；(Ti1/6本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷，其特征在于，所述过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷由硬质相和粘结相的混合物经烧结得到，所述硬质相为过渡金属碳氮化物基高熵陶瓷粉末，所述粘结相为高熵合金粉末；/n所述硬质相包括金属主元和非金属主元，所述金属主元由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的五种或者五种以上元素组成；所述非金属主元由C和N组成；/n所述粘结相由Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Sc、Y、La、Ce、Pr、Er和Sm中的五种或者五种以上元素组成。/n

【技术特征摘要】
1.一种过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷，其特征在于，所述过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷由硬质相和粘结相的混合物经烧结得到，所述硬质相为过渡金属碳氮化物基高熵陶瓷粉末，所述粘结相为高熵合金粉末；
所述硬质相包括金属主元和非金属主元，所述金属主元由Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W中的五种或者五种以上元素组成；所述非金属主元由C和N组成；
所述粘结相由Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Sc、Y、La、Ce、Pr、Er和Sm中的五种或者五种以上元素组成。


2.根据权利要求1所述的过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷，其特征在于，所述硬质相和粘结相的混合物中粘结相的质量分数为5～35％。


3.根据权利要求1或2所述的过渡金属碳氮化物基高熵金属陶瓷，其特征在于，所述硬质相的制备方法包括以下三种并列方法：
(i)将金属主元对应的氧化物和碳源混合后，依次进行高能球磨和热处理，所述热处理在氮气气氛中进行，得到过渡金属碳氮化物高熵陶瓷粉末；
或者，(ii)将金属主元对应的盐、碳源和水混合后，依次进行浓缩和干燥处理，得到前驱体粉末；再将所述前驱体粉末进行热处理，所述热处理在氮气气氛中进行，得到过渡金属碳氮化物高熵陶瓷粉末；
或者，(iii)将金属主元对应的盐、碳源和水混合后，进行水热反应，然后将水热反应产物进行热处理，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：马世卿，段一凡，杨云，王志，秦胜建，杨治刚，吴红亚，张光磊，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：河北;13