一种AlN-TiMoCoNb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，具体涉及一种aln-timoconb金属陶瓷材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、铝及其合金广泛应用于交通、能源、电子等领域，除广泛应用于结构部件外，热浸镀铝作为一种有效的钢材的防护工艺而被大规模应用。然而，铝的冶炼、压铸、热浸镀过程中，由于铝熔体的高侵蚀性以及加工过程中较大的冲蚀速度与压力，与铝熔体直接接触的部件极易失效。频繁的更换易损部件极大影响了生产效率和生产安全，同时因材料及腐蚀产物的溶解降低了铝液的质量，导致产品质量下降。因此提高材料的耐熔铝腐蚀性能对于提高产品质量与生产效率具有重大意义。

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氮化铝基基金属陶瓷材料。本发明所提供的aln-timoconb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aln-timoconb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aln-timoconb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、本发明提供了一种aln-timoconb金属陶瓷材料，所述aln-timoconb金属陶瓷材料以aln为硬质相，以timoconb合金为粘结相，其中timoconb合金在金属陶瓷材料中的质量分数为10％-40％，优选为10～30％。

6、本发明所提供的aln-timoconb金属陶瓷材料以氮化铝为硬质相，以timoconb合金为粘结相，其中aln具有较好的耐熔铝腐蚀性和硬度。同时，氮化铝具有较好的导热率和较低的热膨胀系数，但是aln作为共价化合物，烧结性较差，与大多数金属润湿性较差，发明人发现，ti、nb、co通过与aln形成氮化物加强与陶瓷基体的润湿性；nb、co元素在铝液中表现出比ni基合金和工具钢的更好的抗热机械疲劳性能，而ti、mo元素与氮化铝具有良好的相容性，相近的热膨胀系数与高温下良好的附着性，可以对金属陶瓷材料进行增强，同时ti、mo、co、nb均具有良好的耐铝液腐蚀性能；在粘结相各金属与aln基体的协同作用下，从而使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，粘结相的成份选择是非常重要的，若粘结相的选择不合理，粘结相与陶瓷基体结合性较差，影响成型，无法起到增强力学性能的影响；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。

8、此外将粘结相的配比控制在本发明的范围内，才具有优异的性能，若粘结相过少会影响陶瓷的硬度与断裂韧性，纯aln与铝液接触会直接炸裂；过多的粘结相会影响陶瓷的硬度与断裂韧性，在长期腐蚀的过程中会影响陶瓷在铝液中的耐蚀性。

9、优选的方案，所述aln-timoconb金属陶瓷材料，按质量百份比计，组成如下：aln：70-90％，ti：1.62-6.48％，mo：3.25-12.98％，co：1.99-7.97％，nb：3.14-12.57％。

10、发明人发现，将成份的比例控制在上述范围内，最终金属陶瓷材料的性能最优，如ti、co会与aln反应生成tin与con，增强金属陶瓷材料，但是过量的会影响复合材料本身耐腐蚀性，而al和mo具有良好的附着力且无二次化学反应产物，起到类似第二相增韧的效果，同时mo本身具有良好的耐熔铝腐蚀性能。

11、优选的方案，所述aln-timoconb金属陶瓷材料，显微硬度为1193hv3～1655hv3，断裂韧性为5.12～5.83mpa·m1/2。

12、本发明还提供一种aln-timoconb金属陶瓷材料的制备方法，将aln粉末、钛粉、钼粉、钴粉、铌粉通过球磨获得混合粉，将混合粉放电等离子烧结即得aln-timoconb金属陶瓷材料，所述放电等离子烧结的温度为1650-1750℃。

13、本发明的aln-timoconb金属陶瓷材料通过将aln粉末、钛粉、钼粉、钴粉、铌粉球磨活化后，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，发明人意外的发现，由于aln硬度高，本发明将钛粉、钼粉、钴粉、铌粉直接与aln粉共混，即能够实现机械合金化，最终采用放电等离子烧结能够获得成份均匀的aln-timoconb金属陶瓷材料。

14、优选的方案，所述钛粉、钼粉、钴粉、铌粉的纯度均>99.9％，粒度均均<10μm。

15、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200-300r/min，湿法球磨时间为3-24h，球料比为3-5:1，湿法球磨的过程控制剂为无水乙醇。

16、发明人发现，将球磨参数控制在上述范围内，最终所得金属陶瓷材料的性能最优，球磨转速与时间影响粉末赋能，较低的转速或较短的时间会影响烧结产物的形成。球料比过低则磨球与粉末颗粒的碰撞效率降低，会降低混粉效率，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，不利于混粉。

17、优选的方案，将混合粉在真空度为-0.08mpa～-0.1mpa的条件下，于70-90℃干燥8-12h，然后再进行放电等离子烧结。

18、优选的方案，所述放电等离子烧结的升温速率为50-200℃/min，保温的时间为5-10min，压力为50-60mpa。

19、进一步的优选，放电等离子烧结过程中，先以100-200℃/min升温速率升温至700℃，使压力上升至18-20mpa，然后以100-200℃/min的升温速率到上升至1600℃，使压力上升至40-49mpa，再以50-70℃/min的升温速率升温至1650-1750℃进行烧结，保温5-10min，控制压力为50-60mpa。

20、本发明还提供一种aln-timoconb金属陶瓷材料的应用，将所述aln-timoconb金属陶瓷材料作为耐熔铝腐蚀材料。

21、原理与优势

22、本发明提供了一种aln-timoconb金属陶瓷材料，所述aln-timoconb金属陶瓷材料以aln为硬质相，以timoconb合金为粘结相，氮化铝理论上具有较好的耐熔铝腐蚀性和硬度。同时，氮化铝具有较好的导热率和较低的热膨胀系数，理论上具有较好的抗热震性。但氮化铝韧性低，且熔点近2000℃，烧结性较差。因此选择与其湿润性较好的金属作为粘结相，利用金属粘结相优异的韧性和低熔点的特点来改善氮化铝的韧性差、不易烧结等方面的缺点。本发明以ti、mo、co、nb通过与aln形成氮化物加强与陶瓷基体的润湿性；nb、co元素在铝液中表现出比ni基合金和工具钢的更好的抗热机械疲劳性能，而ti、mo元素与氮化铝具有良好的相容性，相近的热膨胀系数与高温下良好的附着性，可以对金属陶瓷材料进行增强，同时ti、mo、co、nb均具有良好的耐铝液腐蚀性能；在粘结相各金属与aln基体的协同作用下，从而使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。

23、本发明的制备方法，通过将aln粉末、钛粉、钼粉、钴粉、铌粉球磨活化后，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，即得到具有优良性能的金属陶瓷材料。

24、本发明利用金属粘结相的加入改善了陶瓷的烧结性能，放电等离子烧结能够显著降低烧结温度和烧结时间，具有快速、高效的特点。

25、本发明的方法操作简便，所用设备平常可见，材料获取方便，有利于大批量生产。