一種快速燒結制備LaB<sub>6</sub>/ZrB<sub>2</sub>共晶復合材料的方法
【專利摘要】本發明公開了一種快速燒結制備LaB6/ZrB2共晶復合材料的方法，其特征在于：首先通過高能球磨將ZrB2粉末和LaB6粉末混合，篩粉后再預壓成型，最后再在放電等離子燒結爐中燒結，即獲得LaB6/ZrB2共晶復合材料。本發明通過放電等離子燒結技術制備的LaB6/ZrB2共晶復合材料具有較高的致密度，達98.43％。
【專利說明】
一種快速燒結制備LaB6/ZrB2共晶復合材料的方法
技術領域
[00〇1]本發明涉及一種制備LaB6/ZrB2共晶復合材料的方法，屬于新材料制備技術領域。 【背景技術】
[0002]二硼化鋯(ZrB2)由于獨特的金屬健、共價鍵、離子鍵相互作用，因而具有高熔點 (3040°C)、高硬度和優良的導電、導熱等特性，是一種性能優異的高溫陶瓷材料，目前已在航空、冶金等高溫領域得到很好的應用。LaB6的高熔點、低逸出功、低蒸發率和較長的使用壽命等優點，可作為具有高發射電流密度的熱陰極材料。LaB6/ZrB2共晶復合材料繼承了 ZrB2優異力學特性以及LaB6良好的熱發射特性，因此是一種集功能與結構為一體的復合材料。
[0003]目前，僅有通過傳統的熱壓燒結法制備LaB6/ZrB2共晶復合材料的報道。
[0004]文南犬“Ordan’yan S S，Paderno Y B,Khoroshilova I K,et al.1nteract1n in the LaB6_ZrB2system[J].Powder Metallurgy and Metal Ceramics ,1983,22(11):946-948.”公開了一種制備LaB6/ZrB2體系的方法。即采用傳統的熱壓燒結的技術制備具有不同 ZrB2含量的LaB6/ZrB2體系，該文獻主要研究了不同ZrB2含量的LaB6/ZrB2體系的熔點、晶格參數和顯微硬度。
[0005]傳統熱壓燒結技術通常采用高成本的納米原料粉，在粉末中添加Ni等低熔點的助燒結劑以提高燒結致密度，然而低熔點助燒結劑在冷卻時形成玻璃相，嚴重影響了材料的高溫性能，使形變增加、強度下降，并且由于燒結溫度較高、燒結時間長，其高能耗、低效率缺點極大的限制了該材料未來的工業化應用。
[0006]因此，目前急需研發一種無需添加助燒結劑的高效低成本的制備LaB6/ZrB2共晶復合材料的方法。
【發明內容】
[0007]本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種快速燒結制備LaB6/ ZrB2共晶復合材料的方法，旨在采用放電等離子燒結技術，通過精確控制加熱速率、燒結溫度和保溫時間，從而獲得高致密度的LaB6/ZrB2共晶復合材料。
[0008]本發明解決技術問題，采用如下技術方案:
[0009]本發明快速燒結制備LaB6/ZrB2共晶復合材料的方法，其特點在于包括如下步驟:
[0010]步驟一、配粉[〇〇11]以純度不低于99 % ZrB2粉末和純度不低于99 %的LaB6粉末為原材料，按21wt.%ZrB2_79wt.%LaB6共晶相圖的質量百分比，在手套箱中進行配粉；[0〇12] 步驟二、球磨
[0013]將步驟一配好的粉裝入球磨罐中，抽真空后通入氬氣保護氣氛，然后在行星式球磨機上進行高能球磨，獲得LaBs/ZrB〗混合粉末;將所述LaBs/ZrB〗混合粉末置于電熱真空干燥箱內干燥，干燥條件優選為溫度1 〇〇 °C、時間24h;
[0014]步驟三、篩粉
[0015]在球磨過程中溫度較高，粉末容易過熱結塊，不利于燒結，為了解決球磨后粉末的結塊團聚現象，采用300目的篩子在震動式篩機上對所述LaB6/ZrB2混合粉末進行篩選，獲得篩選后LaB6/ZrB2混合粉末；
[0016]步驟四、預壓[〇〇17]將篩選后LaB6/ZrB2混合粉末放入石墨模具內，通過模具沖頭的調整，使得粉末處在石墨模具中間，然后將石墨模具置于手動壓力機上預壓成型，預壓的壓力優選為l〇MPa; [〇〇18]步驟五、放電等離子燒結
[0019]將預壓后石墨模具置于放電等離子燒結爐的爐腔內，抽真空、施加30MPa的軸向壓力、設置升溫速率;開始燒結后，電流以特定速率逐漸增大，當模具溫度達到設定燒結溫度 1600?1900 °C時，開始保溫;保溫3?15min，切斷電流，試樣隨爐冷卻，在爐溫低于50 °C時取出試樣，即獲得LaB6/ZrB2共晶復合材料。
[0020]步驟五中升溫的速率不高于100°C/min。[0021 ]與現有技術相比，本發明具有以下優點:[〇〇22](1)本發明通過放電等離子燒結技術制備LaB6/ZrB2共晶復合材料，方法簡單，無需添加助燒結劑;且所得產品具有較高的致密度，達98.43 %。
[0023](2)原料范圍廣:等離子燒結技術會在顆粒表面瞬間產生高溫(2000°C以上)，從而在顆粒表面引起蒸發和融化，清除吸附氣體和氧化膜，使顆粒表面活化，可使其它傳統燒結技術不能燒結的材料實現燒結。
[0024](3)快速燒結:由于等離子燒結技術產生的脈沖電流瞬間、斷續、高頻，在粉末顆粒接觸部位產生焦耳熱、在未接觸部位產生放電熱，電場擴散作用極大的增強了粉末顆粒的原子擴散速度(比傳統燒結技術的要大很多)，從而實現粉末的快速燒結。
[0025](4)均勻加熱:等離子燒結技術產生的脈沖電流，可使顆粒接觸點產生放電等離子，從而實現預制體內每個顆粒的均勻發熱，熱效率高，性能好。[〇〇26](5)燒結溫度低:粉末受脈沖電流和垂直單向壓力的作用，產生很強的擴散場(熱效率高)，從而使燒結溫度比傳統燒結溫度低200-500°C情況下，實現燒結。【附圖說明】[〇〇27]圖1為本發明實施例1所制備的LaB6/ZrB2共晶復合材料的組織形貌(燒結溫度為 1600°(:，保溫時間51^11);[〇〇28]圖2為本發明實施例2所制備的LaB6/ZrB2共晶復合材料的組織形貌(燒結溫度為 1800°(:，保溫時間51^11);[〇〇29]圖3為本發明實施例3所制備的LaB6/ZrB2共晶復合材料的組織形貌(燒結溫度為 1900°(:，保溫時間51^11)。【具體實施方式】
[0030]實施例1
[0031]本實施例按如下步驟制備LaB6/ZrB2共晶復合材料:[〇〇32]步驟一、配粉
[0033]以純度為99%、粒徑約為2mi的ZrB2粉末和純度為99%、粒徑約為45_的LaB6粉末為原材料，按21wt.%ZrB2_79wt.%LaBs共晶相圖的質量百分比，在手套箱中進行配粉； [〇〇34]步驟二、球磨
[0035]將步驟一配好的粉裝入球磨罐中，抽真空后通入氬氣保護氣氛，然后在行星式球磨機上進行高能球磨4h后，獲得LaB6/ZrB2混合粉末;將LaB6/ZrB2混合粉末置于電熱真空干燥箱內，l〇〇°C干燥24h;[〇〇36]步驟三、篩粉
[0037]在球磨過程中溫度較高，粉末容易過熱結塊，不利于燒結，為了解決球磨后粉末的結塊團聚現象，采用300目的篩子在震動式篩機上對LaB6/ZrB2混合粉末進行篩選，去除50mi 以上的大的團聚粉末顆粒，獲得篩選后LaB6/ZrB2混合粉末；[〇〇38] 步驟四、預壓[〇〇39]將篩選后LaB6/ZrB2混合粉末放入內徑為20.4mm的石墨模具內，通過模具沖頭的調整，使得粉末處在石墨模具中間，然后將石墨模具置于手動壓力機上預壓成型，預壓的壓力為lOMPa;
[0040]步驟五、放電等離子燒結[〇〇411將預壓后石墨模具置于放電等離子燒結爐的爐腔內，抽真空、施加30MPa的軸向壓力、設置升溫速率為100 °C/min;開始燒結后，電流以特定速率逐漸增大，當模具溫度達到設定燒結溫度1600 °C時，開始保溫;保溫5min，切斷電流，試樣隨爐冷卻，在爐溫低于50°C時取出試樣，即獲得LaB6/ZrB2共晶復合材料。[〇〇42]本實施例所得試樣的微觀組織如圖1所示，可以看出在ZrB2基體上出現多孔;經測試，本實施例所得試樣的致密度為79.49%。[〇〇43] 實施例2[〇〇44]本實施例按如下步驟制備LaB6/ZrB2共晶復合材料:
[0045]步驟一、配粉[〇〇46]以純度為99%、粒徑約為2mi的ZrB2粉末和純度為99%、粒徑約為45_的LaB6粉末為原材料，按21wt.%ZrB2_79wt.%LaBs共晶相圖的質量百分比，在手套箱中進行配粉； [〇〇47]步驟二、球磨
[0048]將步驟一配好的粉裝入球磨罐中，抽真空后通入氬氣保護氣氛，然后在行星式球磨機上進行高能球磨4h后，獲得LaB6/ZrB2混合粉末;將所述LaB6/ZrB2混合粉末置于電熱真空干燥箱內，l〇〇°C干燥24h;[〇〇49]步驟三、篩粉
[0050]在球磨過程中溫度較高，粉末容易過熱結塊，不利于燒結，為了解決球磨后粉末的結塊團聚現象，采用300目的篩子在震動式篩機上對LaB6/ZrB2混合粉末進行篩選，去除50mi 以上的大的團聚粉末顆粒，獲得篩選后LaB6/ZrB2混合粉末；
[0051]步驟四、預壓[〇〇52]將篩選后LaB6/ZrB2混合粉末放入內徑為20.4mm的石墨模具內，通過模具沖頭的調整，使得粉末處在石墨模具中間，然后將石墨模具置于手動壓力機上預壓成型，預壓的壓力為lOMPa;[〇〇53]步驟五、放電等離子燒結
[0054]將預壓后石墨模具置于放電等離子燒結爐的爐腔內，抽真空、施加30MPa的軸向壓力、設置升溫速率為100 °C/min;開始燒結后，電流以特定速率逐漸增大，當模具溫度達到設定燒結溫度1800 °C時，開始保溫;保溫5min，切斷電流，試樣隨爐冷卻，在爐溫低于50°C時取出試樣，即獲得LaB6/ZrB2共晶復合材料。[〇〇55]本實施例所得試樣的微觀組織如圖2所示，可以看出ZrB2基體與LaB6增強相結合更好，且基體上空隙明顯減少;經測試，本實施例所得試樣的致密度為98.27%。
[0056] 實施例3[〇〇57]本實施例按如下步驟制備LaB6/ZrB2共晶復合材料:[〇〇58] 步驟一、配粉[〇〇59]以純度為99%、粒徑約為2mi的ZrB2粉末和純度為99%、粒徑約為45_的LaB6粉末為原材料，按21wt.%ZrB2_79wt.%LaBs共晶相圖的質量百分比，在手套箱中進行配粉；
[0060]步驟二、球磨
[0061]將步驟一配好的粉裝入球磨罐中，抽真空后通入氬氣保護氣氛，然后在行星式球磨機上進行高能球磨4h后，獲得LaB6/ZrB2混合粉末;將所述LaB6/ZrB2混合粉末置于電熱真空干燥箱內，l〇〇°C干燥24h;[〇〇62] 步驟三、篩粉
[0063]在球磨過程中溫度較高，粉末容易過熱結塊，不利于燒結，為了解決球磨后粉末的結塊團聚現象，采用300目的篩子在震動式篩機上對粉末進行篩選，去除50wii以上的大的團聚粉末顆粒，獲得篩選后LaB6/ZrB2混合粉末；[〇〇64] 步驟四、預壓[〇〇65]將篩選后LaB6/ZrB2混合粉末放入內徑為20.4mm的石墨模具內，通過模具沖頭的調整，使得粉末處在石墨模具中間，然后將石墨模具置于手動壓力機上預壓成型，預壓的壓力為lOMPa;[〇〇66]步驟五、放電等離子燒結[〇〇67]將預壓后石墨模具置于放電等離子燒結爐的爐腔內，抽真空、施加30MPa的軸向壓力、設置升溫速率為100 °C/min;開始燒結后，電流以特定速率逐漸增大，當模具溫度達到設定燒結溫度1900 °C時，開始保溫;保溫5min，切斷電流，試樣隨爐冷卻，在爐溫低于50°C時取出試樣，即獲得LaB6/ZrB2共晶復合材料。
[0068]本實施例所得試樣的微觀組織如圖3所示，經測試，本實施例所得試樣的致密度為 98.43%〇
【主權項】
1.一種快速燒結制備LaB6/ZrB2共晶復合材料的方法，其特征在于包括如下步驟:步驟一、配粉以純度不低于99%的ZrB2粉末和純度不低于99%的LaB6粉末為原材料，按21wt.% ZrB2_79wt.%LaBs共晶相圖的質量百分比，在手套箱中進行配粉；步驟二、球磨將步驟一配好的粉裝入球磨罐中，抽真空后通入氬氣保護氣氛，然后在行星式球磨機 上進行高能球磨，獲得LaB6/ZrB2混合粉末;將所述LaB6/ZrB2混合粉末置于電熱真空干燥箱 內干燥；步驟二、篩粉采用300目的篩子在震動式篩機上對所述LaB6/ZrB2混合粉末進行篩選，獲得篩選后 LaB6/ZrB2混合粉末；步驟四、預壓將篩選后LaB6/ZrB2混合粉末放入石墨模具內，通過模具沖頭的調整，使得粉末處在石 墨模具中間，然后將石墨模具置于手動壓力機上預壓成型；步驟五、放電等離子燒結將預壓后石墨模具置于放電等離子燒結爐的爐腔內，抽真空、施加30MPa的軸向壓力、 升溫至1600?1900 °C，保溫3?15min，試樣隨爐冷卻，在爐溫低于50 °C時取出試樣，即獲得 LaB6/ZrB2共晶復合材料。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟二中的干燥溫度為100°C，干燥時間為Mlo3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟四中預壓成型的壓力為lOMPa。4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟五中升溫的速率不高于100°C/min。
【文檔編號】C04B35/64GK106007727SQ201610316167
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月11日
【發明人】張久興, 王翔, 楊新宇, 胡可, 李志
【申請人】合肥工業大學