[发明专利]一种碳化钛-碳化钽固溶体、制备方法及其用途

说明书

本发明涉及一种碳化钛‑碳化钽固溶体，其中所述固溶体中，钛元素与钽元素的摩尔比为（0.11‑9）:1，并且所述固溶体的维氏硬度为16.5‑50 Gpa，以及涉及其制备方法及用途。本申请的制备方法热处理相对于传统技术温度低，无需压力辅助设备，操作步骤简单，成本低。所制得的碳化钛‑碳化钽固溶体颗粒成分可调控且元素分布均匀，且具有更高的维氏硬度，该固溶体颗粒具有高硬度，用途广泛，特别是用于涂层材料、硬质合金、航空航天材料、催化剂中。

技术领域

本发明涉及陶瓷粉体制备技术领域，具体涉及一种碳化钛-碳化钽固溶体、制备方法及其用途。

背景技术

过渡金属碳化物（也称为超高温陶瓷（UHTCs））因具有高熔点（3000 ℃）、优异的机械性能，已经引起了研究人员的关注。然而，随着高超音速飞行器、太阳能聚光器和核反应堆的蓬勃发展，单组元碳化物已不能满足人们的需求。因此，将碳化物固溶化逐渐成为研究热点。过渡金属碳化物固溶体会展现出一些超越单组元碳化物的特性，归结于高熵效应、迟滞扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应。

碳化钛（TiC）和碳化钽（TaC）作为第IV、V副族过渡金属碳化物的典型代表（其中钛、钽金属原子半径分别为1.4和1.45 ），因具有高熔点、高强度、高硬度以及耐化学腐蚀等优异性能被视为制备超高温结构陶瓷的重要成员。TiC和TaC均属于立方NaCl型晶体结构，空间群为Fm3 ̅m，其晶格常数分别为4.3302 和4.4461 ，价电子浓度（VEC）也不相同，分别为8和9。然而，在传统工艺中，制备单相碳化钛-碳化钽固溶体（（Ti,Ta）C）材料需要超高热处理温度（高达2000℃）且常伴随着压力辅助烧结工艺，对工业设备提出更高的要求，且消耗的能源更大，制备成本高，另一方面高制备温度也导致（Ti,Ta）C固溶体颗粒异常长大，限制该材料的应用。因此，需要对碳化钛-碳化钽固溶体的制备方法和结构进一步改进。

发明内容

基于此，有必要提供一种碳化钛-碳化钽固溶体、制备方法及其用途。

本申请提供一种碳化钛-碳化钽固溶体，其中在所述固溶体中，钛元素与钽元素的摩尔比为（0.11-9）:1，并且所述固溶体的维氏硬度为16.5-50 GPa。

本申请还提供一种制备上述碳化钛-碳化钽固溶体的方法，其包括：

（1）将钴粉末、碳化钛粉末和碳化钽粉末混合均匀，形成粉末混合物，

（2）将所述粉末混合物在1450-1700℃的温度下进行热处理，得到复合陶瓷块体，

（3）将所述复合陶瓷块体置于强酸中，得到复合颗粒，

（4）将步骤（3）中得到的复合颗粒清洗并干燥，得到所述碳化钛-碳化钽（（Ti, Ta）C）固溶体。

本申请还提供上述碳化钛-碳化钽固溶体的用途，其用于涂层材料、硬质合金、航空航天材料或催化剂中。

有益效果

本申请的碳化钛-碳化钽固溶体颗粒包含特定摩尔比的钛元素与钽元素，使得其结构稳定，并且相对于单组分的碳化钛或碳化钽，所述固溶体的维氏硬度更高，并且在维氏硬度方面具有固溶强化作用，从而极大地拓宽了用途范围。所述固溶强化作用是指碳化钛-碳化钽固溶体的维氏硬度大于相应比例的碳化钛和碳化钽的硬度之和，也就是说碳化钛-碳化钽固溶体在硬度方面具有协同效应。

本申请的方法通过控制热处理的温度和压力并调整所用原料的比例，使得制备过程中热处理温度相对于传统技术温度低，无需压力辅助设备，从而使消耗的能源降低，操作步骤简单。

附图说明

图1是本申请的实施例1所制备的（Ti_0.9Ta_0.1）C固溶体颗粒的XRD图谱。