一种金属钽表面超硬陶瓷渗层、制备方法及金属钽材料与流程

本发明属于金属材料表面处理技术，具体涉及一种金属钽表面超硬陶瓷渗层、制备方法及金属钽材料。

背景技术：

1、金属钽具有高密度、高熔点、优异的高温强度、良好的加工性、可焊性和优良的机械性能，广泛应用于电子电容工业、生物医疗、化工防腐设备、航空航天发动机零部件以及武器装备等领域。然而金属钽表面硬度低，耐磨性差，抗高温氧化性能差，影响了金属钽在高温服役时的使用性能，也限制金属钽的使用范围。

2、硼化钽(tab2)是过渡族金属钽的硼化物，属于六方alb2晶体结构，作为优良的超高温陶瓷(uhtc)材料，其熔点在3200℃左右，硬度较高，高温下强度大、耐热性和抗氧化性较好，且具有良好的导电性和导热性、化学稳定性高、热冲击阻力大，有良好的耐磨耐蚀性等特性，已被用于空间飞行器的热保护系统、耐火坩埚、等离子弧电极和火箭发动机等领域。但是，硼化钽块体材料的制备工艺复杂，由于熔点较高，不仅烧结温度较高和制备周期较长，且存在难以获得致密的大尺寸部件的难题，限制了它在苛刻作业环境下的应用。

3、制备硼化钽复合涂层的方法包括：无压烧结法、气相沉积法、原位反应法和热喷涂法。但使用上述方法制备的硼化钽复合涂层的硬度不高，例如陈海花等的《硼化钽(tab)高温高压烧结体硬度的研究》中记载的tab陶瓷的硬度仅为7.7-11gpa。而且使用上述方法制备的硼化钽复合涂层与基体的结合不够紧密，一定程度上影响了材料的使用性能和使用寿命。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种金属钽表面超硬陶瓷渗层、制备方法及金属钽材料，具体包括以下内容：

2、一种金属钽表面超硬陶瓷渗层，包括tab、ta3b4和tab2相，所述tab、ta3b4和tab2三相的质量比为(1.5-2.5)：(0.8-1.2)：(0.8-1.2)；所述超硬陶瓷渗层的表面硬度为hv1520～hv3200，超硬陶瓷渗层厚度为10μm～100μm。具体的，所述tab、ta3b4和tab2相的比例可以是1.5：0.8：0.8、2：1：1、2.1：1.1：1.1、2.3：1.2：1.2等；所述表面硬度可以达到hv1550、hv2000、hv2500、hv3000、hv3200等；所述厚度可以是10μm、20μm、50μm、80μm、90μm、100μm等。需要注意的是，本发明所述金属钽优选为纯金属钽。

3、优选的，所述超硬陶瓷渗层在高温熔融金属铈中腐蚀速率为0.0630-0.0885μm/h(例如0.0650μm/h、0.0700μm/h、0.0750μm/h、0.0800μm/h、0.0850μm/h等)。金属钽渗硼后在高温熔融金属铈中的腐蚀速率的确定方法为：根据样品失重质量m，样品表面积s，渗层物质密度ρ和腐蚀时间t，利用公式η＝m/s/ρ/t，计算得出渗硼后金属钽样品的腐蚀速率在0.0630-0.0885μm/h范围内。

4、一种金属钽表面超硬陶瓷渗层的制备方法，包括将金属钽基体埋入渗剂中，然后在真空或者保护气氛中保温；所述渗剂可以选择以下四种中的一种或多种组合：

5、第一种：(20～25wt％b4c)+(3～5wt％kbf4)+(70～77wt％sic)(例如21wt％b4c+3.5wt％kbf4+72wt％sic、23wt％b4c+4.5wt％kbf4+75wt％sic、24wt％b4c+4.8wt％kbf4+76wt％sic等)；

6、第二种：(3～5wt％b4c)+(3～5wt％kbf4)+(90～94wt％sic)(例如3.5wt％b4c+3.5wt％kbf4+91wt％sic、4.5wt％b4c+4.5wt％kbf4+92wt％sic、4.8wt％b4c+4.8wt％kbf4+93wt％sic等)；

7、第三种：(3～5wt％b4c)+(3～5wt％kbf4)+(90～94wt％al2o3)(例如3.5wt％b4c+3.5wt％kbf4+91wt％al2o3、4.5wt％b4c+4.5wt％kbf4+92wt％al2o3、4.8wt％b4c+4.8wt％kbf4+93wt％al2o3等)；

8、第四种：(3～5wt％b4c)+(3～5wt％nh4cl)+(90～94wt％al2o3)(例如3.5wt％b4c+3.5wt％nh4cl+91wt％al2o3、4.5wt％b4c+4.5wt％nh4cl+92wt％al2o3、4.8wt％b4c+4.8wt％nh4cl+93wt％al2o3等)。

9、优选的，所述金属钽表面超硬陶瓷渗层的制备方法，包括以下步骤：

10、(1)基体预处理：将金属钽基体表面进行打磨，然后超声清洗；

11、(2)配制渗剂：按比例配制渗剂，然后将渗剂混合均匀；

12、(3)渗硼：将步骤(1)处理好的金属钽基体埋入步骤(2)混合均匀的渗剂中，在1200-1600℃(例如1250℃、1300℃、1400℃、1500℃等)真空条件或保护气氛下保温3-8h(例如4h、5h、6h、7h等)，得到处理后的金属钽；

13、(4)后处理：取出步骤(3)处理后的金属钽，去除表面残留的渗剂。

14、优选的，所述步骤(1)打磨方法为200目-2000目用砂纸打磨或用抛光材料抛光，所述超声清洗所用清洗剂为丙酮或酒精。采用本发明公开的基体预处理方法，可以使金属钽基体表面更加光滑和洁净，有利于提高渗层与基体的结合力。

15、优选的，所述步骤(2)渗剂混合的方法为用球磨机混合。采用球磨的方法既能确保渗剂混合均匀，也能将渗剂粉碎成颗粒细小且均匀的粉末，有利于提高包埋渗步骤的反应效率，也有利于提高渗层的硬度和均匀性。

16、优选的，所述步骤(4)去除表面残留的渗剂的方法为：将金属钽依次放入清水、酒精中超声清洗。

17、一种带有金属钽表面超硬陶瓷渗层的金属钽材料。

18、本发明的有益效果：

19、(1)本发明公开的超硬陶瓷相硼化物渗层，包含包括质量比为(1.5-2.5)：(0.8-1.2)：(0.8-1.2)的tab、ta3b4和tab2相，通过对渗层成分的合理设计，有效提高了硼化物渗层的硬度和与基体的结合力，其表面硬度为hv1520～hv3200，渗硼层与基体之间的结合强度为20n～35n，进而提高金属钽表面的耐磨耐腐蚀性能，经测试，超硬陶瓷相硼化物渗层在高温熔融金属铈中腐蚀速率在0.0630-0.0885μm/h。

20、(2)本发明所公开的金属钽表面超硬陶瓷渗层的制备方法的步骤(3)高温处理的设备为真空热处理炉，通过设置包埋渗处理的条件为：1200-1600℃真空或保护气氛下保温3-8h，可在金属钽表面形成超硬陶瓷层，而且制备方法非常便于大批量生产，产品质量容易控制，所需设备简单，投资少。

21、(3)本发明利用固体包埋渗方法，获得了耐磨耐腐蚀的超硬陶瓷相硼化物渗层，所述渗层具有优良的综合性能，具有超高的表面硬度，其表面硬度可以达到hv1520～hv3200。所述超硬陶瓷渗层厚度在10～100μm范围内可调。而且渗硼层与基体之间的结合强度高，结合力在20～35n范围内。此外，所述渗层还有优越的耐腐蚀性能，在高温熔融金属铈中腐蚀速率在0.0630-0.0885μm/h范围内。