本发明属于材料制备工艺技术领域,具体涉及一种铝镁硼-氧化钇复合材料及其制备方法。
背景技术:
美国能源部Ames实验室的Bruce Cook在1999年合成铝镁硼(AlMgB14),该材料被发现具有极高的硬度(32-35GPa)、低密度2.66g/cm3、良好的耐磨性、摩擦系数低、导电性以及抗高温氧化等优异的性能。自首次合成铝镁硼以来,出现了多种合成方法,该合成方法也都较成熟,然而铝镁硼材料仍然没有被广泛应用于实际生活中,主要原因在于纯铝镁硼的硬度和断裂韧性及其不稳定。因此,迫切需要改善AlMgB14材料的硬度和断裂韧性。
技术实现要素:
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种铝镁硼-氧化钇复合材料及其制备方法,用于克服铝镁硼材料硬度低和断裂韧性弱的技术问题。
本发明的具体技术方案如下:
本发明提供了一种铝镁硼-氧化钇复合材料,按重量百分比计,包括:1%~10%的氧化钇,余量为铝镁硼。
本发明还提供了上述铝镁硼-氧化钇复合材料的制备方法,包括以下步骤:
将铝镁硼粉末和氧化钇粉末混合均匀,得到混合粉末;将所述混合粉末进行烧结,得到所述铝镁硼-氧化钇复合超硬材料。
优选的,所述铝镁硼粉末的粒径为1-10μm。
优选的,所述氧化钇粉末的粒径为0.01-3μm。
优选的,所述烧结为热压烧结、放电等离子烧结、电磁溅射或电场激活辅助压力烧结。
优选的,所述烧结的温度为1300-1600℃。
优选的,所述烧结的压力为30-80MPa。
优选的,所述烧结的时间为5-30min。
优选的,所述烧结在真空热压炉中进行;所述真空热压炉的炉腔内真空度小于5Pa。
优选的,所述混合在球磨罐中进行。
本发明所提供的一种铝镁硼-氧化钇复合材料包括:1%~10%的氧化钇(Y2O3)粉末和余量的铝镁硼粉末,可通过将AlMgB14和Y2O3按比例混合组成复合原料并进行热压烧结得到,所述复合材料硬度高、强度好、断裂韧性强和致密性优良。本发明方法制备工艺简单、高产低耗、清洁环保、生产成本低,适合批量生产,在金属切削加工刀具、耐磨减磨零部件的生产领域有着广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为AlMgB14-3%Y2O3复合超硬材料表面放大5000倍数的SEM图;
图2为AlMgB14-3%Y2O3复合超硬材料断面放大5000倍数的SEM图;
图3为AlMgB14-6%Y2O3复合超硬材料表面放大5000倍数的SEM图;
图4为AlMgB14-6%Y2O3复合超硬材料断面放大5000倍数的SEM图。
具体实施方式
为了克服现有铝镁硼材料硬度低和断裂韧性弱的技术问题,本发明提供了一种铝镁硼-氧化钇复合材料。按重量百分比计,本发明所提供的铝镁硼-氧化钇复合材料包括:1%~10%的氧化钇,余量为铝镁硼。
本发明对铝镁硼和氧化钇的来源不作特殊限定,采用本领域技术人员所熟知的即可,如市售,或者采用本领域技术人员熟知的常规技术制备得到。在本发明中,所述铝镁硼的分子式表示为AlMgB14,所述氧化钇的分子式表示为Y2O3。
为了提高铝镁硼-氧化钇复合材料的力学性能,本发明优化了所述铝镁硼-氧化钇复合材料的制备工艺,具体优选为以下步骤:
将铝镁硼粉末和氧化钇粉末混合均匀,过筛得到混合粉末;
将所述混合粉末进行烧结,得到所述铝镁硼-氧化钇复合超硬材料。
进一步的,所述铝镁硼粉末的粒径为1-10μm。
进一步的,所述氧化钇粉末的粒径为0.01-3μm。
进一步的,所述烧结为热压烧结、放电等离子烧结、电磁溅射或电场激活辅助压力烧结。
进一步的,所述烧结的温度为1300-1600℃。
进一步的,所述烧结的压力为30-80MPa。
进一步的,所述烧结的时间为5-30min。
进一步的,所述烧结在真空热压炉中进行;所述真空热压炉的炉腔内真空度小于5Pa。
进一步的,所述混合在球磨罐中进行。
下面将结合本发明具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例只是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。本领域技术人员应当理解,对本发明的具体实施例进行修改或者对部分技术特征进行同等替换,而不脱离本发明技术方案的精神,均应涵盖在本发明保护的范围中。
实施例1
一种铝镁硼-氧化钇复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)首先将纯度均为99.99%的Al粉、Mg粉和B粉,在有氩气保护的手套箱中按照摩尔比为1:1:14的比例配粉,并且额外的补偿6%的Al粉,然后放入球磨罐中密封好且球料比为14:1。利用全方位行星式球磨机,在转速为250r/min下球磨12h,将粉体机械合金化。后将粉体在氩气保护的手套箱中取出,放入氧化铝坩埚中,并用铌箔片覆盖好在其表面加适量氮化硼粉末密封好。然后放入真空气氛炉中,在氩气保护,温度为1500℃、保温1h条件下,制备出纯度为95.4%,粒径为1-10μm的AlMgB14粉末。
(2)步骤(1)中得到的AlMgB14粉末和粒度为3μm、纯度为99.99%的氧化钇(Y2O3)混合,得到混合粉末,其中混合粉末中氧化钇的含量为1%。将该混合粉末放入硬质合金球磨罐中混合均匀,采用250目筛网筛分,得到混合粉末。
(3)将步骤(2)得到的混合粉末装入石墨磨具中,然后将石墨模具置于真空度小于5Pa的真空热压炉中进行热压烧结,获得致密的铝镁硼-氧化钇复合超硬材料;其中,烧结温度为1300℃,压力为30MPa,烧结时间持续30min。
实施例2
一种铝镁硼-氧化钇复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)首先将纯度均为99.99%的Al粉、Mg粉和B粉,在有氩气保护的手套箱中按照摩尔比为1:1:14的比例配粉,并且额外的补偿6%的Al粉,然后放入球磨罐中密封好且球料比为14:1。利用全方位行星式球磨机,在转速为250r/min下球磨12h,将粉体机械合金化。后将粉体在氩气保护的手套箱中取出,放入氧化铝坩埚中,并用铌箔片覆盖好在其表面加适量氮化硼粉末密封好。然后放入真空气氛炉中,在氩气保护,温度为1500℃、保温1h条件下,制备出纯度为95.4%,粒径为1-10μm的AlMgB14粉末。
(2)步骤(1)中得到的AlMgB14粉末和粒度为50nm、纯度为99.99%的氧化钇(Y2O3)混合,得到混合粉末,其中混合粉末中氧化钇的含量为3%。将该混合粉末放入硬质合金球磨罐中混合均匀,采用250目筛网筛分,得到混合粉末。
(3)将步骤(2)得到的混合粉末装入石墨磨具中,然后将石墨模具置于真空度小于5Pa的真空热压炉中进行热压烧结,获得致密的铝镁硼-氧化钇复合超硬材料;其中,烧结温度为1450℃,压力为50MPa,烧结时间持续5min。
实施例3
一种铝镁硼-氧化钇复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)首先将纯度均为99.99%的Al粉、Mg粉和B粉,在有氩气保护的手套箱中按照摩尔比为1:1:14的比例配粉,并且额外的补偿6%的Al粉,然后放入球磨罐中密封好且球料比为14:1。利用全方位行星式球磨机,在转速为250r/min下球磨12h,将粉体机械合金化。后将粉体在氩气保护的手套箱中取出,放入氧化铝坩埚中,并用铌箔片覆盖好在其表面加适量氮化硼粉末密封好。然后放入真空气氛炉中,在氩气保护,温度为1500℃、保温1h条件下,制备出纯度为95.4%,粒径为1-10μm的AlMgB14粉末。
(2)步骤(1)中得到的AlMgB14粉末和粒度为50nm、纯度为99.99%的氧化钇(Y2O3)混合,得到混合粉末,其中混合粉末中氧化钇的含量为6%。将该混合粉末放入硬质合金球磨罐中混合均匀,采用250目筛网筛分,得到混合粉末。
(3)将步骤(2)得到的混合粉末装入石墨磨具中,然后将石墨模具置于真空度小于5Pa的真空热压炉中进行热压烧结,获得致密的铝镁硼-氧化钇复合超硬材料;其中,烧结温度为1450℃,压力为50MPa,烧结时间持续5min。
实施例4
一种铝镁硼-氧化钇复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)首先将纯度均为99.99%的Al粉、Mg粉和B粉,在有氩气保护的手套箱中按照摩尔比为1:1:14的比例配粉,并且额外的补偿6%的Al粉,然后放入球磨罐中密封好且球料比为14:1。利用全方位行星式球磨机,在转速为250r/min下球磨12h,将粉体机械合金化。后将粉体在氩气保护的手套箱中取出,放入氧化铝坩埚中,并用铌箔片覆盖好在其表面加适量氮化硼粉末密封好。然后放入真空气氛炉中,在氩气保护,温度为1500℃、保温1h条件下,制备出纯度为95.4%,粒径为1-10μm的AlMgB14粉末。
(2)步骤(1)中得到的AlMgB14粉末和粒度为0.01μm、纯度为99.99%的氧化钇(Y2O3)混合,得到混合粉末,其中混合粉末中氧化钇的含量为10%。将该混合粉末放入硬质合金球磨罐中混合均匀,采用250目筛网筛分,得到混合粉末。
(3)将步骤(2)得到的混合粉末装入石墨磨具中,然后将石墨模具置于真空度小于5Pa的真空热压炉中进行热压烧结,获得致密的铝镁硼-氧化钇复合超硬材料;其中,烧结温度为1600℃,压力为80MPa,烧结时间持续20min。
实施例5
将实施例2和实施例3中制备得到的铝镁硼-氧化钇复合超硬材料采用扫描电镜进行检测以及进行相关性能测试。图1和图2分别为AlMgB14-3%Y2O3复合超硬材料表面和断面放大5000倍数的SEM图,图3和图4分别为AlMgB14-6%Y2O3复合超硬材料表面和断面放大5000倍数的SEM图,如图所示,AlMgB14-9%Y2O3复合超硬材料的致密化程度很高。
表1为性能测试检测结果,与纯铝镁硼材料相比,通过本发明制备方法得到的铝镁硼-氧化钇复合超硬材料的硬度高达40GPa左右,断裂韧性高达3.24MPam,本发明方法大大提高了铝镁硼材料的力学性能,具有广泛的应用前景。
表1