一种二硼化铬基金属陶瓷材料及其制备方法和应用

本发明属于金属陶瓷材料制备，尤其涉及一种二硼化铬基金属陶瓷材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在熔炼铝合金、铝制品成型以及热浸镀铝的过程中，铝液会与坩埚、轧辊、轴套、沉没辊等零部件接触并产生侵蚀从而引发零部件使用寿命缩短、铝制品质量降低、生产成本提高等一系列问题。因此，探索具有优异耐熔铝腐蚀性能的材料是非常有必要的。在整体材料当中，w、mo、nb等高熔点金属具有优异的耐熔铝腐蚀性能，但其价格昂贵；金属间化合物可以提高耐熔铝腐蚀性能，但脆性大应用范围受到限制；陶瓷的耐熔铝腐蚀性能优异，但抗热震性差；金属陶瓷材料则结合了金属与陶瓷的优点，不仅耐熔铝腐蚀性能优异还具有较好的抗冲击性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种二硼化铬基金属陶瓷材料。本发明所提供的二硼化铬基金属陶瓷材料兼具优异的力学性能以及良好的耐熔铝腐蚀性能。

2、本发明的第二个目的在于提供一种二硼化铬基金属陶瓷材料的制备方法。

3、本发明的第三个目的在于提供一种二硼化铬基金属陶瓷材料的应用。

4、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

5、本发明提供一种二硼化铬基金属陶瓷材料，所述二硼化铬基金属陶瓷材料以二硼化铬为硬质相，以fecrnialti高熵合金为粘结相，其中fecrnialti高熵合金在金属陶瓷材料中的质量百分比为10％-20％。

6、本发明所提供的二硼化铬基(crb2-fecrnialti)金属陶瓷材料以二硼化铬为硬质相，以fecrnialti高熵合金为粘结相，其中crb2能够耐液态金属腐蚀，耐磨，抗高温氧化，但是烧结性能差，而本发明中，fecrnialti粘结相的加入能够降低陶瓷的烧结温度，抑制陶瓷晶粒的长大；其次fecrnialti粘结相在烧结过程中会形成液相并与陶瓷具有良好的润湿性，能够填充陶瓷之间的空隙提高金属陶瓷整体的致密度，从而可以改善crb2的烧结性能以及提高材料的整体韧性，在两者的协同下，所得金属陶瓷材料兼具优异的力学性能以及良好的耐熔铝腐蚀性能。

7、在本发明中，所用粘结相为fecrni系高熵合金，fecrni系高熵合金完美结合了良好的性能和低成本，al和ti的加入能提高其强度和耐熔铝腐蚀性能。发明人发现，fecrnialti粘结相的加入会在金属陶瓷中形成维氏硬度不一的相，从而产生裂纹偏转等增韧机制，增加金属陶瓷的整体韧性；其次在熔铝腐蚀过程中，纯的二硼化铬陶瓷的腐蚀层增长到一定厚度便会脱落，并且铝液会沿着陶瓷中的孔隙渗入到陶瓷深处，al元素在陶瓷中呈放射状分布。而加入了本发明fecrnialti粘结相的金属陶瓷在受到铝液的侵蚀过程中是逐步侵蚀的，形成的腐蚀层能够在一定程度上阻碍al元素的扩散，从而大幅提升耐熔铝腐蚀性能。

8、当然，在本发明中，粘结相的选择以及质量分数均是至关重要的，如当粘结相的质量分数过少时，不足以对金属陶瓷的性能产生影响；当粘结相的质量分数过多时，金属陶瓷的维氏硬度会进一步下降更为重要的是在熔铝腐蚀过程中会有大块的粘结相暴露在铝液中，极大地降低金属陶瓷的耐熔铝腐蚀性能，而若粘结相的组成选择不合理，如果选择的粘结相的熔点过高，需要高烧结温度增加烧结难度；如果选择的粘结相与陶瓷的润湿性差，则烧结出来的金属陶瓷致密度低甚至不能成型；如果选择的粘结相本身的耐熔铝腐蚀性能差，铝液就极易先将粘结相腐蚀掉降低金属陶瓷整体的耐熔铝腐蚀性能。

9、优选的方案，所述粘结相中，按摩尔比计：fe：cr：ni：al：ti＝1：1：1：0.2-1：0.2-1。

10、优选的方案，所述二硼化铬基金属陶瓷材料的平均腐蚀速率为8.46×10-4-4.29×10-4mm/h，维氏硬度为1453.32-1786.78hv，断裂韧性为5.92-10.5mpa·m1/2。

11、本发明提供了一种耐熔铝腐蚀的二硼化铬基金属陶瓷材料的制备方法，将crb2粉末、fecrnialti高熵合金粉末球磨获得混合粉，将混合粉放电等离子烧结即得二硼化铬基金属陶瓷材料，所述放电等离子烧结的温度为1300-1500℃。

12、本发明的二硼化铬基金属陶瓷材料通过将crb2粉末、fecrnialti高熵合金粉末球磨活化后，然后再经放电等离子烧结能够在较低的温度下烧结金属陶瓷材料，得到具有优良性能的金属陶瓷材料。

13、优选的方案，所述crb2粉末的粒径为1-3μm。

14、将crb2粉末的粒径控制在上述范围最终所得金属陶瓷的致密度最高，而若原材料的粒径过大则金属陶瓷烧结后的致密度会下降，而粒径过小，表面活性高，不利于球磨分散，同样会导致性能下降。

15、优选的方案，所述crb2粉末的纯度≥99.9％。

16、发明人发现，在本发明中，采用crb2粉末与fecrnialti高熵合金粉末球磨才能获得具有优异性能的金属陶瓷材料，而若将crb2粉末直接与fe粉、cr粉、ni粉、al粉、ti粉进行球磨则无法获得所需的金属陶瓷材料，发明人发现，若直接采用单质粉末球磨混合，一方面，会引起al的挥发，另一方面，所烧结出来的金属陶瓷材料，将含有铁、镍的单相，从而降低金属陶瓷的性能。

17、优选的方案，所述球磨的方式为湿法球磨，所述湿法球磨的转速为240-260r/min，湿法球磨时间为3-5h，球料比为3-5：1，湿法球磨的过程控制剂为无水乙醇。

18、优选的方案，将混合粉在真空度为-0.08～-0.1mpa的条件下，于80-100℃干燥12-15h，然后再进行放电等离子烧结。

19、优选的方案，所述放电等离子烧结的升温速率为50-100℃/min，保温的时间为5-15min，压力为30-50mpa。

20、优选的方案，所述fecrnialti高熵合金粉末的获取过程为：按设计比例配取fe粉、cr粉、ni粉、al粉、ti粉进行湿法球磨，干燥即得，所述湿法球磨的转速为280-320r/min，湿法球磨时间为60-80h，球料比为8-10：1，湿法球磨的过程控制剂为无水乙醇。

21、发明人发现，机械合金化过程中，球磨的参数需要有效控制，若球磨转速过低不足以使金属单质颗粒破碎，从而达不到机械合金化的效果，球磨时间不够则无法完全机械合金化。球料比也会对机械合金化的过程有较大的影响，采用本发明范围内的球料比，可以很好的实现机械合金化，而若是球料比过低则磨球与粉末颗粒的碰撞效率降低，会降低机械合金化的效率甚至不能机械合金化，球料比过高会使得磨球与磨球碰撞的概率加大也是会降低磨球与粉末的碰撞频率，不利于机械合金化。

22、进一步的优选，所述fe粉、cr粉、ni粉、al粉、ti粉的粒径均为1-3μm。

23、将fe粉、cr粉、ni粉、al粉、ti粉的粒径均控制在上述范围最终所得金属陶瓷的致密度最高，而若如果原材料的粒径过大则金属陶瓷烧结后的致密度会下降，而粒径过小，表面活性高，不利于球磨分散，同样会导致性能下降。

24、进一步的优选，所述fe粉、cr粉、ni粉、al粉、ti粉的纯度均≥99.9％。

25、进一步的优选，所述干燥在真空度为-0.08～-0.1mpa的条件下进行，干燥的温度为80-100℃，干燥的时间为12-15h。

26、本发明还提供一种二硼化铬基金属陶瓷材料的应用，将所述二硼化铬基金属陶瓷材料作为耐熔铝腐蚀材料。

27、有益效果：

28、本发明将fecrnialti高熵合金作为粘结相，其主要目的是增强金属陶瓷的韧性，弥补纯二硼化铬陶瓷脆性大的缺点，使其不仅拥有良好的耐熔铝腐蚀性能，还能具备一定的力学性能满足工业使用。采用球磨及放电等离子烧结的方式制备金属陶瓷块体材料具有如下优点：首先，球磨能够使粉末混合更均匀为后续的烧结提供有利条件；其次，放电等离子烧结能够在较低的温度下烧结金属陶瓷材料有利于节约能源；再者，放电等离子烧结能够快速烧结金属陶瓷材料能够提高生产效率；最后，放电等离子烧结能够烧结出致密的金属陶瓷块体，得到具有优良性能的金属陶瓷材料。传统金属陶瓷材料的粘结相多为co、nb、mo等单质，其中co为战略金属，而nb和mo价格相对昂贵，而本发明中所使用的fecrnialti高熵合金不仅不含战略金属，并且原料易得成本相对低廉能够满足工业化生产使用需求。

29、本发明提供了一种耐熔铝腐蚀的二硼化铬基金属陶瓷材料及其制备方法，制备流程简单，原料易得，成本低廉，能够满足工业化生产。