一种深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体及其制备方法和应用，由Hf、Zr、Ta、Nb、Ti、C六种元素组成，各种金属元素摩尔百分比为5%

【技术实现步骤摘要】
一种深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体及其制备方法和应用，尤其涉及一种用于提高深海采矿系统过流部件表面性能的高熵陶瓷粉体、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]随着工业技术的不断发展，对海洋资源的开发已经成为了我国资源开发战略的重要组成部分，通过对海洋矿藏的不断勘测，从滨海至深海发现了大量的金属软泥土与金属结壳，因此迫切需要研发高性能的深海采矿系统。在深海采矿系统运行过程中，扬矿泵与矿物破碎机构的过流部件表面受到磨损腐蚀、冲蚀、空蚀的共同破坏，需要通过制备高性能涂层的方法提高过流部件的使用寿命。
[0003]通过研究发现材料的耐磨损、抗冲蚀与抗空蚀性能往往与材料的硬度相关，而材料的耐腐蚀性能与材料的相组成有关，材料相数越少，表面越均匀，材料表面不容易形成原电池，材料的耐蚀性能便越好。因此，通过改善材料本身的相组成提出一种高性能涂层具有重要意义。
[0004]有鉴于上述现有涂层存在的缺陷，本专利技术人基于从事此类材料多年丰富经验及专业知识，配合理论分析，加以研究创新，开发一种用于提高深海采矿系统过流部件表面性能的高熵陶瓷粉体、制备方法及应用，提高过流部件的使用寿命。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一个目的是提供一种深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体，通过提出新的粉体制备的涂层用于提高深海采矿系统过流部件表面性能，进而延长其使用寿命。
[0006]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：本专利技术提供的深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体，陶瓷粉体（（HfZrTaNbTi）C）与涂层的成分为Hf、Zr、Ta、Nb、Ti、C五种金属元素摩尔百分比为5 %
‑
35 %，全部金属元素总和与C元素的摩尔比为1:3.5
‑
1:5.0，以保证碳热反应的完全进行，同时防止在烧结过程中碳化物的脱碳。
[0007]本专利技术的第二个目的是提供一种深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体的制备方法，通过制备工艺的优化，制备性能优良的、适宜喷涂深海采矿系统过流部件表面的粉体。
[0008]本专利技术的上述技术效果是由以下技术方案实现的：本专利技术提出的深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体的制备方法，包括如下操作步骤，第一步：按照摩尔百分比称取原材料粉末，首先将粒径为1 μm
‑
5 μm 的HfO2、ZrO2、TiO2、Ta2O5、Nb2O5、碳粉按比例添加入WC球磨罐中，其中碳粉摩尔量为金属元素总摩尔量的4倍，球磨混合后冷却；第二步：将第一步制得的粉体压片，在真空条件下进行热处理，热处理温度高于2000 ℃，并保温2 h；第三步：将步骤二热处理后的粉体与聚乙烯醇溶液搅拌混合，得到浆料；
第四步：对获得的浆料进行喷雾造粒，粉末在500 ℃煅烧2 h后得到目标粉体。
[0009]作为优选的，第一步球磨混合过程中混合罐中充入氩气保护，压力为5~15 atm；球磨混合每1 h冷却30 min；更进一步的，根据摩尔百分比称取相应质量的金属氧化物与碳粉末（粉末粒径1
‑
2 μm）放入高能球磨机中，球磨罐为碳化钨衬里的不锈钢罐，研磨球为直径10 mm的碳化钨研磨球(球
‑
粉比≈4:1)，球磨转速为300 rpm，罐内充入氩气，压力为5 atm，球磨混合1 h后冷却30 min，混合时间为5 h。
[0010]作为优选的，第三步中粉体与聚乙烯醇溶液的质量比为1:1
‑
1:3，更进一步的，将100 g烧结后的粉体与100 mL聚乙烯醇溶液（0.5 wt.%
‑
1 wt.%）在球磨机中混合球磨，球磨罐为碳化钨衬里的不锈钢罐，研磨球为直径10 mm的碳化钨研磨球(球
‑
粉比≈4:1)，球磨转速为300 rpm，罐内充入氩气，压力为5 atm，球磨混合1 h后冷却30 min，混合时间为3 h。
[0011]作为优选的，第四步喷雾造粒的工艺参数如下，入口温度为 220
‑
250 ℃，出口温度为 90
‑
110 ℃；雾化轮供气压力为 1.3
×
10
5 Pa
‑
1.7
×
10
5 Pa；进料速度30
‑
50 r/min。
[0012]本专利技术的第三个目的是提供一种深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体的具体应用。
[0013]本专利技术的上述技术效果是由以下技术方案实现的：将前述深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体用于喷涂深海采矿系统过流部件表面，以及采矿、冶金、河流疏浚机械中需要较高硬度的耐磨与过流零件表面。
[0014]更进一步的，前述的深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体用于喷涂深海采矿系统过流部件表面的具体方法，包括如下操作步骤，S1，清洁待喷涂基体表面；S2，在基体表面喷涂所述高熵碳化物陶瓷粉体。
[0015]更进一步的，S1中首先利用蒸馏水清洗基体材料表面，在100 ℃鼓风干燥箱中烘干2 h，之后利用乙醇清洗基体表面，在100 ℃鼓风干燥箱中烘干2 h，最后对基体进行喷砂处理。
[0016]更进一步的，S2中采用超音速火焰喷涂技术在基体表面喷涂高熵碳化物陶瓷粉体，形成涂层。
[0017]作为优选的，S2喷涂高熵碳化物陶瓷粉体的工艺参数为，氧气流量900
‑
920 L/min，煤油流量25
‑
30 L/h，载气流量9.5
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11 L/min，喷涂距离300
‑
350 mm，喷枪移动速度250
‑
300 mm/s。
[0018]综上所述，本专利技术具有以下有益效果：1.通过调配各组分粉末的尺寸以及各元素的含量，使材料在加热过程中表面快速活化，氧化物的碳热还原与相互固溶同时进行，在同一晶格中各种金属元素出现概率相近，这种原子分布的无序性使高熵陶瓷的熵值大幅度提升并且材料的相数远小于组分数量，这也使高熵陶瓷粉体的致密度进一步提升。较少的相数降低了材料表面各区域之间的电势差，各组分的相互固溶使材料内部晶格畸变严重，有效地阻碍位错的扩展，这使材料具有较好的力学性能与耐腐蚀性能。本专利技术选用HfO2、ZrO2、TiO2、Ta2O5、Nb2O5、碳粉进行反应制备（HfZrTaNbTi）C高熵陶瓷。首先较低的粉末粒径与较窄的粒径范围降低了各组分之间元素扩散固溶的难度，HfO2、ZrO2、TiO2、Ta2O5、Nb2O5在温度高于1500 ℃时碳热还原反应均为自发进行，极大地降低了制备时间。其次，预先使用等离子烧结制备高熵陶瓷粉体可以进一步提高高熵陶瓷粉体中高熵陶瓷的含量，高熵陶瓷的性能与材料中高熵陶瓷组分的含量密切
相关，同时高熵陶瓷含量较低的粉体可以通过二次烧结进一步提高高熵陶瓷含量，为涂层的性能打下基础。
[0019]2.在传统的制备方法中研究人员通常利用纯金属粉末与碳粉进行混合制备高熵陶瓷，这时就本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体，其特征在于：包含Hf、Zr、Ta、Nb、Ti、C、金属元素摩尔百分比为5 %
‑
35 %，所述全部金属元素之和与C元素的摩尔比为1:3.5
‑
1:5.0。2.根据权利要求1所述的深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：包括如下操作步骤，第一步：按照摩尔百分比称取原材料粉末，球磨混合后冷却；第二步：将第一步制得的粉体压片，在真空条件下进行热处理，热处理温度高于2000 ℃，并保温；第三步：将步骤二热处理后的粉体与聚乙烯醇溶液转动混合，得到浆料；第四步：对获得的浆料进行喷雾造粒，粉末煅烧后得到目标粉体。3.根据权利要求2所述的深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：所述第一步球磨混合过程中混合罐中充入氩气保护，压力为5~15 atm；球磨混合每1 h冷却30 min。4.根据权利要求2所述的深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：所述第三步中粉体与聚乙烯醇溶液的质量比为1:1
‑
1:3。5.根据权利要求2所述的深海环境用高熵碳化物陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：所述第四步喷雾造粒的工艺参数如下，入口温度为 220
‑
250 ℃，出...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪晟，魏峥，魏子昱，吴玉萍，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：