一种以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料及其制备方法与应用，属于刀具材料技术领域。本发明专利技术涉及的一种以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料，按质量百分比计包括以下原料：Ti(C,N)70％、Mo2C10％、WC5％、VC3％、Co(0～12)％和高熵合金(0～12)％。本发明专利技术制备的以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料不但具备较高的硬度，同时还有良好的韧性，综合性能最高的样品硬度达到19.51

【技术实现步骤摘要】
一种以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于金属陶瓷材料
，具体涉及一种以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]碳氮化钛基金属陶瓷具有高硬度、高韧性、高强度、高导热率、优良的耐磨性、出色的高温化学稳定性、以及对金属的摩擦系数极低、热变形抗力强等优点，因此，可应用于航空航天用部件、轴承、高速切削刀具等领域。目前，碳氮化钛基金属陶瓷多使用金属Ni
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Co作为粘结剂，以其他碳化物作为添加剂，如WC、Mo2C、VC、TaC、NbC、VC等。Ni
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Co作为粘结剂具有连接Ti(C,N)颗粒与碳化物颗粒的作用，其在液相烧结阶段作为液相流动具有颗粒重排作用，极大改善了固相颗粒分布均匀性，另外其还能溶解部分碳化物，在沉淀重析出阶段形成固溶体，提高了碳氮化钛基金属陶瓷的强度。但由于Ni
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Co的金属属性，添加金属Ni
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Co会降低碳氮化钛基金属陶瓷的硬度。从现有文献(Zhanjiang Li,Li Chen,Fa Chang,et al.Synthesis,microstructure and properties of Ti(C,N)
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(HfZrTaNbTi)C5
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HEAhigh
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entropy cermets byhigh
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energyball milling and sparkplasma sintering,Ceramics International.48(2022)30826
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30837)可知，即使添加质量分数为10％的金属Ni
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Co作为粘结剂，制备得到的碳氮化钛基金属陶瓷硬度最高为17.69GPa，断裂韧性为8.09
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0.55MPa
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，与硬质合金刀具材料以及其它陶瓷刀具材料相比，其硬度偏低。专利号为201910584162.7的专利技术专利中，制备了一种碳氮化钛基复合金属陶瓷，其以Ti(C,N)作为主体，并添加质量分数为6％的Ni，质量分数为6％的Co，质量分数为6％的Mo，烧结温度为1650℃时，保温时间为20min，其最高硬度达到16.25
±
0.09GPa，韧性达到12.41
±
0.33MPa
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m
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，虽然其韧性提高较大，但硬度降低，较低的硬度不适合作为切削硬脆难加工工件的刀具材料，极大地限制了刀具材料的使用范围。因此，以Ni
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Co为粘结剂的碳氮化钛基金属陶瓷硬度仍有较大提升空间，所制备的碳氮化钛金属陶瓷综合力学性能仍需进一步完善。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了提供一种以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料及其制备方法与应用，该复合金属陶瓷材料是在碳氮化钛基体中添加适量的碳化物、高熵合金以及金属相Co，通过优化高熵合金和金属相Co的比例，提高材料综合力学性能，使其具有高硬度和高韧性。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0005]本专利技术技术方案之一：
[0006]一种以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料，按质量百分数计包括以下原料：Ti(C,N)70％、Mo2C 10％、WC 5％、VC 3％、Co(0～12)％和高熵合金(0～12)％，其中高熵合金用量不为0，且Co和高熵合金用量之和为12％。
[0007]作为优选，以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料，按质量百分比计包括以下原料：Ti(C,N)70％、Mo2C 10％、WC 5％、VC 3％、高熵合金12％。
[0008]进一步地，所述高熵合金的制备方法为：将金属原料分散于乙醇中，之后经超声振荡，干燥，研磨过筛，得到所述高熵合金。
[0009]更进一步地，所述金属原料按质量百分比计包括：Fe 19.9％、Co 21％、Ni 21％、Cr 18.5％和Mn 19.6％(以等原子数配比)。
[0010]本专利技术采用高熵合金替代传统Ni
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Co作为碳氮化钛金属陶瓷材料的粘结剂来提高金属陶瓷的综合力学性能。高熵合金是由多种含量相近的主元组成的，熵随着主元元素的增加而增加，因此其形成的是简单的固溶体，而不是复杂的相或金属间化合物，较高的混合熵，使得元素扩散缓慢，从而降低材料的脆性。另外这些高熵合金元素在烧结过程中还会发生严重的晶格畸变以及动态迟滞扩散特性，这些独特特性使得其具有高强度、高硬度、高耐磨性和高热稳定性等许多优异性能。同时高熵合金还与陶瓷相具有良好的润湿性，从而具备成为金属陶瓷粘结剂的潜力。综上所述，以高熵合金部分取代传统金属Ni
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Co粘结剂能够有效提高金属陶瓷的综合力学性能。
[0011]本专利技术技术方案之二：
[0012]上述的以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013]1)将Ti(C,N)、Mo2C、WC、VC、Co和高熵合金分散于乙醇中，之后经超声振荡，干燥，研磨过筛，得到原料粉末；
[0014]2)对步骤1)得到的原料粉末进行放电等离子烧结，得到所述以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料。
[0015]进一步地，步骤1)中，所述乙醇的纯度为99.99％。
[0016]更进一步地，步骤1)中，所述超声振荡的频率为40KHz，时间为2h。
[0017]进一步地，步骤1)中，所述干燥的温度为120℃，时间为6h。
[0018]进一步地，步骤2)中，所述放电等离子烧结的工艺参数为：以100℃/min的升温速率升温至1500℃，并保温5min，之后断电冷却至室温。
[0019]本专利技术采用放电等离子烧结工艺，通过改进粉末分散技术、烧结温度和保温时间等参数，实现在短周期内制备出具有较高综合力学性能的碳氮化钛复合金属陶瓷材料。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0021]本专利技术制备的以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料不但具备较高的硬度，同时还有良好的韧性，综合性能最高的样品硬度(HV20)达到19.51
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0.21GPa，韧性达到8.18
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0.12MPa
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，抗弯强度达到1228.8
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81.9MPa，与传统Ni
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Co金属作为粘结剂的碳氮化钛基金属陶瓷材料相比硬度提高了10.29％左右，断裂韧性提高了1.11％左右，抗弯强度提高了2.06％。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料，其特征在于，按质量百分数计包括以下原料：Ti(C,N)70％、Mo2C10％、WC5％、VC3％、Co(0～12)％和高熵合金(0～12)％，其中高熵合金用量不为0，且Co和高熵合金用量之和为12％。2.根据权利要求1所述的一种以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料，其特征在于，所述高熵合金的制备方法为：将金属原料分散于乙醇中，之后经超声振荡，干燥，研磨过筛，得到所述高熵合金。3.根据权利要求2所述的一种以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料，其特征在于，所述金属原料按质量百分比计包括：Fe19.9％、Co21％、Ni21％、Cr18.5％和Mn19.6％。4.一种权利要求1～3任一项所述的以高熵合金为粘结剂的碳氮化钛基复合金属陶瓷材料的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷增斌，叶佳冬，袁军堂，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：