一种非化学计量比硼化钛及利用该非化学计量比硼化钛制备的高熵硼化物陶瓷

摘要

一种非化学计量比硼化钛及利用该非化学计量比硼化钛制备的高熵硼化物陶瓷，属于特种化合物制备技术领域。本发明一方面提供了一种非化学计量比硼化钛，硼化钛的化学式为TiB

说明书

技术领域

本发明属于特种化合物制备技术领域。具体涉及一种非化学计量比硼化钛及利用该非化学计量比硼化钛制备的高熵硼化物陶瓷。

背景技术

TiB

随着航空航天的需要，研究者对过渡金属高熵硼化物成为关注热点。2016年，Gild、 Harrington和Zhang等首次将“高熵”概念应用到过渡金属硼化物陶瓷，利用MA和SPS制备了一系列单相六方晶体结构的过渡金属硼化物高熵陶瓷。他们发现这些单相硼化物中过渡金属原子在原子级别随机分布在金属对应格点上。其次，这几种高熵硼化物陶瓷的硬度高于对应的五种单一组元过渡金属硼化物陶瓷的硬度平均值，其抗氧化性也得到了提高。同时，这类高熵硼化物的烧结温度过高及明显的脆性也使其应用受到限制。

因此，本发明以TiB

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于设计提供一种非化学计量比硼化钛及利用该非化学计量比硼化钛制备的高熵硼化物陶瓷。本发明非化学计量比硼化钛采用机械合金化法，制备非化学计量比TiBx，改善了硼化钛的脆性，降低了烧结温度。以Ti和TiB

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种非化学计量比硼化钛，其特征在于所述硼化钛的化学式为TiB

所述的一种非化学计量比硼化钛，其特征在于所述硼化钛为单一密排六方晶体结构。

一种所述非化学计量比硼化钛的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将＜10μm的Ti粉与TiB

(2)将步骤(1)得到的球磨罐安装至球磨机上，进行球磨反应后停机，在氩气环境下开罐取出，获得硼化钛。

所述的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中磨球为不锈钢或硬质合金，球磨罐为不锈钢或硬质合金，所述球料比为10～20:1。

所述的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中球磨机包括行星式球磨机，球磨反应时间为20～60小时。

一种高熵硼化物陶瓷，其特征在于组元中含有任一所述的TiB

所述的一种高熵硼化物陶瓷，其特征在于所述高熵硼化物陶瓷为单相单一的共价键密排六方晶体结构，通过机械合金化和烧结过程制备得到，所述烧结温度为1500～1900℃。

一种所述的高熵硼化物陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)混配：称取等摩尔质量的TiB

(2)混合料制备：将步骤(1)得到的球磨罐安装至球磨机上，经球磨后，在氩气环境下停机，取出混合料；

(3)预压成型：将混合料装入模具中预压成型，保持压力5～10min后，泄压、脱模，制备成坯料；

(4)热压烧结：将坯料装入模具中，放入烧结机上进行热压烧结，再自然冷却至60℃以下取出，得到样品。

所述的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中具有密排六方结构的共价键二硼化物为 TiB

所述的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中球磨时间为20～60小时，所述预压成性条件为：室温，压力100～200MPa；所述步骤(3)中热压烧结的工艺参数为：烧结腔体为真空或氩气气氛，真空度3×10

本发明采用的非化学计量比硼化钛反应球磨方法制备TiB

高熵硼化物陶瓷的制备方法是通过机械球磨实现的，所采用的球磨机可以是行星式球磨机或其它可以达到同样效果的不同形式的球磨设备，其目的是在球磨过程中，利用机械能使所有参与的组元充分混合、破碎、活化，提高反应能力。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

(1)本发明非化学计量比硼化钛工艺简单，所用原材料纯度＞99.5％，粒度＜10μm，对设备要求低，能耗小，成本低，制备得到的烧结体具有高硬度及高韧性。

(2)本发明产品TiB

(3)本发明高熵硼化物陶瓷的工艺简单，可达到烧结温度为1500～1900℃，韧性达到 6.2MPa·m

附图说明

图1为不同时间下混合粉料TiB

图2为不同时间下混合粉料TiB

图3为不同时间下混合粉料TiB

图4为不同温度下60h TiB

图5为1900℃烧结TiB

具体实施方式

以下将通过实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

(1)按照计算量将粒度＜10μm的Ti粉与TiB

(2)将步骤(1)的球磨罐安装在行星球磨机上，经40、60小时球磨，停机取料。取料需要在氩气环境条件下取料；

(3)从制备好的料取出少量进行XRD分析，结果如图1所示。

由图1可知，在摩尔比Ti:TiB

实施例2：

(1)按照计算量将粒度＜10μm的Ti粉与TiB

(2)将步骤(1)的球磨罐安装在行星球磨机上，经40、60小时球磨，停机取料。取料需要在氩气环境条件下取料；

(3)从制备好的料取出少量进行XRD分析，结果如图2所示。

由图2可知，在摩尔比Ti:TiB

实施例3：

(1)按照计算量将粒度＜10μm的Ti粉与TiB

(2)将步骤(1)的球磨罐安装在行星球磨机上，经40、60小时球磨，停机取料。取料需要在氩气环境条件下取料；

(3)从制备好的料取出少量进行XRD分析(结果如图3所示)，其余进行烧结；

(4)在放电等离子烧结机上经过1600、1700、1800℃烧结后的块体样品经过打磨再次进行XRD分析(结果如图3所示)，并进行性能检验。结果如图4所示。

由图3可知，在摩尔比Ti:TiB

实施例4：

(1)按照等摩尔的配比将TiB

(2)将步骤(1)的球磨罐安装在行星球磨机上，经40小时球磨，停机，在氩气环境手套箱中取料。

(3)将步骤(2)制备的混合料装入模具中进行预压成型，室温，压力200MPa。保持 5～10min，然后泄压、脱模，制备成为坯料。

(4)将步骤(3)制备的坯料装入模具中，放入烧结压机上进行热压烧结。工艺参数为：烧结腔体氩气气氛；烧结机压力50MPa，烧结温度1900℃，保温时间10min，然后自然冷却至60℃以下，取出样品。

打磨后经XRD检测，其结果如图5。硬度为26.3GPa，韧性为6.2MPa·m

实施例5：

(1)按照等摩尔的配比将TiB

(2)将步骤(1)的球磨罐安装在适当的球磨机上，经60小时球磨，停机，在氩气环境条件下取料。

(3)将步骤(2)制备的混合料装入模具中进行预压成型，室温，压力100MPa。保持 5～10min，然后泄压、脱模，制备成为坯料。

(4)将步骤(3)制备的坯料装入模具中，放入烧结压机上进行热压烧结。工艺参数为：烧结腔体氩气气氛；烧结机压力30MPa，烧结温度1800℃，保温时间30min，然后自然冷却至60℃以下，取出样品。

打磨后经检测，硬度为26.8GPa，韧性为6.0MPa·m

实施例6：

(1)按照等摩尔的配比将TiB

(2)将步骤(1)的球磨罐安装在行星球磨机上，经20小时球磨，停机，在氩气环境条件下取料。

(3)将步骤(2)制备的混合料装入模具中进行预压成型，室温，压力200MPa。保持 5～10min，然后泄压、脱模，制备成为坯料。

(4)将步骤(3)制备的坯料装入模具中，放入烧结压机上进行热压烧结。工艺参数为：烧结腔体真空度3×10

打磨后经检测，硬度为25.9GPa，韧性为6.4MPa·m

实施例7：

(1)按照等摩尔的配比将TiB

(2)将步骤(1)的球磨罐安装在行星球磨机上，经40小时球磨，停机，在氩气环境条件下取料。

(3)将步骤(2)制备的混合料装入模具中进行预压成型，室温，压力100MPa。保持 5～10min，然后泄压、脱模，制备成为坯料。

(4)将步骤(3)制备的坯料装入模具中，放入烧结压机上进行热压烧结。工艺参数为：烧结腔体氩气气氛；烧结机压力50MPa，烧结温度1900℃，保温时间30min，然后自然冷却至60℃以下，取出样品。

打磨后经检测，硬度为26.6GPa，韧性为5.7MPa·m

实施例8：

(1)按照等摩尔的配比将TiB

(2)将步骤(1)的球磨罐安装在行星球磨机上，经40小时球磨，停机，在氩气环境条件下取料。

(3)将步骤(2)制备的混合料装入模具中进行预压成型，室温，压力100MPa。保持 5～10min，然后泄压、脱模，制备成为坯料。

(4)将步骤(3)制备的坯料装入模具中，放入烧结压机上进行热压烧结。工艺参数为：烧结腔体氩气气氛；烧结机压力50MPa，烧结温度1800℃，保温时间30min，然后自然冷却至60℃以下，取出样品。

打磨后经检测，硬度为24.6GPa，韧性为5.9MPa·m