[发明专利]一种双复合结构的高温陶瓷刀具材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种双复合结构的高温陶瓷刀具材料及其制备方法与应用。该陶瓷刀具材料由陶瓷颗粒和陶瓷粉体组成，具有双复合结构。其中陶瓷粉体包括二硼化锆、碳化硅、氮化硅、氧化钇组成，陶瓷颗粒组成为二硼化锆和碳化硅。该陶瓷刀具材料的制备方法包括陶瓷颗粒的制备、陶瓷刀具材料的制备、放电等离子烧结等步骤。本发明的陶瓷刀具材料明显提高了其高温力学性能特别是断裂韧性，提高了高速切削时的刀具寿命。

技术领域

本发明涉及一种高温陶瓷刀具材料，尤其是一种双复合结构的高温陶瓷刀具材料及其制备方法与应用。

背景技术

二硼化锆(ZrB₂)是一种超高温材料，但是由于二硼化锆材料的高温易氧化、强度低等缺陷使其应用受到了一定的限制。ZrB₂由于具有极强的共价键结合特性、极高的熔点，较低的自扩散系数，其粉末颗粒表面存在氧化物层和其它杂质而难以烧结。通常烧结温度高于2000℃才能获得致密的二硼化锆陶瓷，降低烧结温度主要方法是降低起始粉末粒度和使用烧结添加剂。在选择烧结添加剂时，必须谨慎选择类型和数量，因为它们的添加影响ZrB₂的致密化、微观结构、相组合和性能。金属(镍、铜、钴、铬和铁)和非金属(碳化物、二硅化物等)烧结添加剂可用于在相对低的烧结温度下获得致密的ZrB₂陶瓷。镍、铜、钴、铬和铁等金属添加剂(通常添加小于2wt％)有利于获得接近理论的烧结密度，由于液相烧结而显著降低烧结温度，并且在改善ZrB₂的室温机械性能方面非常有效。碳化物烧结添加剂的添加主要通过去除存在于ZrB₂起始粉末上的表面氧化物杂质来帮助增强ZrB₂的致密化。消除表面氧化物是非常重要的，因为其通过在烧结过程中通过表面氧化物的蒸发和冷凝促进晶粒生长来抑制致密化。

二硼化锆陶瓷材料，除了烧结温度高及高温下抗氧化烧蚀性能差以外，断裂韧性较低也严重地限制了其在高温等苛刻环境下的广泛应用。根据现有文献报道，在二硼化锆陶瓷材料的强韧化研究中，碳纤维、碳化硅(SiC)、晶须常被用作增韧相，可以在一定程度上提高ZrB₂陶瓷的断裂韧性。然而，添加碳化硅的二硼化锆陶瓷的断裂韧性和抗弯强度还有待提高，且随着温度升高，其断裂韧性和抗弯强度还会不断降低。因此，对于二硼化锆/碳化硅高温陶瓷刀具材料而言，亟需解决其在高温环境下的韧性和强度降低问题。

目前，陶瓷刀具材料，包括二硼化锆陶瓷，多采用热压烧结法。但是热压烧结二硼化锆基陶瓷材料需要较高的烧结温度，通常烧结超过1900℃或者添加金属等烧结助剂才能获得较高致密性的陶瓷材料；例如在氢气氛中2050℃温度下烧结成陶瓷制品。。较高的烧结温度在烧结过程中陶瓷材料的晶粒会发生大幅度的生长，根据Hall-Petch方程可知，较大的晶粒降低了刀具材料的抗弯强度。其次金属等烧结助剂的添加降低了陶瓷材料在高温下的力学性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种双复合结构的高温陶瓷刀具材料及其制备方法，解决了陶瓷刀具材料高温断裂韧性降低的问题，且改善了高温下抗弯强度降低的问题。

本发明还提供双复合结构的高温陶瓷刀具材料的应用。

术语解释：

双复合结构：是指ZrB₂/SiC复合陶瓷颗粒与ZrB₂/SiC/Si₃N₄复合陶瓷粉体混合后制备的复合材料。