CN101077644A - 梯度复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

梯度复合材料，材料由基体、过渡层、工作层组成；这种材料自基体至工作层或层内材料成份、性能呈受控的梯度变化，各层均为冶金结合的复合材料；过渡层包括二层至n个过渡层，n取6－100，工作层由一层至多层组成。过渡层包括第一过渡层和第二过渡层，第一过渡层材料厚0.1～50mm，第二过渡层材料厚0.1～50mm，工作层材料厚0.1～1000mm。典型的过渡层材料厚度选0.5～5mm，工作层材料厚度2～30mm。梯度复合材料的工作层为陶瓷或高合金层时，与工作层相溶的过渡层采用高含量陶瓷或高含量合金层为过渡层材料。本发明构成整体综合性能合理、过渡层物理化学性能差异小、工作层性能优异、各层均为冶金结合的复合材料。

Description

梯度复合材料及制备方法

一、技术领域

本发明涉及一种梯度复合材料制备方法，尤其是金属梯度复合材料及制备方法，属于金属结构复合材料技术领域。

二、背景技术

随着现代工业的迅速发展，对金属部件提出了更高的要求，要求产品能在高参数(如高温、高速、高压)，高度自动化和恶劣的工况条件下长期工作，这就必然对材料的耐磨、耐蚀等性能的要求日益苛刻。在某些情况下，若选用贵重金属或合金制造整体设备和零件即使可以满足性能要求，往往是不经济的或行不通的，同时在许多情况下也无法找到一种能够同时满足整体和工作层要求的材料。因此新的结构复合材料对提高金属部件的使用寿命和可靠性，对于改善机械设备的性能、质量，增强产品的竞争力，对于推动高新技术的发展，对于节约材料、节约能源均具有重要意义。

为满足材料特定的整体和工作层要求，现有的制造方法可分为复合连接、表面改性二类。其中复合连接可细分为机械连接、焊接、爆炸复合、轧制复合、扩散焊接、铸造复合、粘接复合、自蔓延法、烧结法等；表面改性则可细分为：(1)表面合金化，包括喷焊、堆焊、离子注入、激光熔敷、热渗镀等。(2)表面覆层与覆膜，包括热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、热浸镀等。(3)表面组织转化，包括激光、电子束热处理、喷丸等。

这些制造方法从结合类型来看，可分为：冶金结合、机械结合、吸附结合、扩散结合、化学结合等五种。这些制造方法也许是一种或多种结合共同作用的结果，但总有一种是主要的。如喷焊、堆焊层与基体的结合、铸造复合以冶金结合为主；热喷涂(火焰、电弧、等离子)涂层与基体、爆炸复合、轧制复合、机械连接的结合以机械结合为主；粘接复合、电镀、化学转化处理、涂装层与基体的结合以吸附结合为主；扩散焊接与基体的结合以扩散结合为主；热浸镀、部分等离子喷涂层与与基体反应生成金属间化合物，以化学结合为主。

以上各种制造方法(结合类型)虽已取得一些应用实例，但都各自有很大的局限性。

如机械连接、粘接复合的材料，界面结合不良；焊接材料界面成分急剧变化，结合强度低，物理化学性能差距大；爆炸复合、轧制复合材料不仅界面成分急剧变化、复合层厚度小、均匀性差，且仅适合于板带材；扩散焊接材料工件形状及表面要求高，制造成本高(需在真空、一定压力下进行)；自蔓延法制造的材料仅能与基体形成部分冶金结合，很难形成连续、均匀的复合层，且界面结合强度低；铸造复合、烧结法制造的材料品种局限性大、制造成本高；离子注入、激光熔敷、热渗镀、热浸镀、热喷涂、激光热处理、电子束热处理不仅加工设备昂贵，工艺复杂，成本高，且实现的工作层均很薄，一般仅有0.1-3mm，例如CN011151979提及的等离子扫描喷涂金属表面的方法，对于大型工件、复杂截面或需进行后续加工的工件几乎没有实用价值；电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装层均不能与基体形成冶金结合，界面结合强度低，未构成实际意义上的金属结构复合材料；喷焊、堆焊层材料能与基体形成牢固的冶金结合，但目前的工艺得到的材料界面成分急剧变化，物理化学性能差距大，工作层性能单一，多数应用于工件尺寸修复。

综上所述，现有金属复合材料和复合技术中尚没有基体、界面层、工作层材料成份、性能呈梯度变化的梯度复合材料概念和方法的提出，以及利用此方法作更广泛的应用。

三、发明内容

本发明目的在于：提供一种梯度复合材料制备方法并制造梯度复合材料，可适用于冶金、航空航天、机械、矿山、农机、汽车制造、电力、发电、建材等部门的各种工件的复合制造。尤其高参数(如高温、高速、高压)、高度自动化和恶劣的工况所需的高性能材料的复合制造。

本发明目的是实现方法是：梯度复合材料，其特征是材料由基体、过渡层、工作层组成；这种材料自基体至工作层或层内材料成份、性能呈受控的梯度变化，各层均为冶金结合的复合材料；过渡层包括二层至n个过渡层，n取6-50，工作层由一层至多层组成。

本发明的改进是：过渡层包括二层至的n过渡层过渡层，与工作层一道分别根据需要复合二层或多层过渡层。n取6-100。从基体到工作层的每层过渡层的材料成份的合金含量渐次升高、性能呈受控的梯度变化。

梯度复合材料中可以定义第一过渡层与基体结合。第一过渡层、第二至第n过渡层、工作层的复合工艺可以是埋弧焊、明弧焊、气保焊、电渣焊等方法中一种或多种，工作层的复合工艺还可以是激光、等离子等高能焊。过渡层、工作层可分别根据需要复合一层或多层。

作为二层过渡层的材料，基层表面先复合第一过渡层材料，厚0.1～50mm，第二过渡层材料厚0.1～50mm，工作层材料厚0.1～1000mm；整个过渡层材料厚度优选0.5～5mm，工作层材料厚度优选2～30mm。

梯度复合材料的基体材料可以是碳素钢、合金钢、工模具钢、齿轮钢、轴承钢、不锈钢、高速钢、弹簧钢、铸铁或其它较经济且具有一定机械性能的结构材料。

梯度复合材料的所有过渡层材料可以是Ni系合金、Cr系合金、Cu系合金、Cr-Mo系合金、Ni、Cr、Mo多元合金中的一种或多种，也可以是其它分别能与基体、工作表面层材料梯度过渡、相容性好的材料。

梯度复合材料的工作层材料根据使用性能选择，以满足复合材料相应的耐磨、耐高温、耐腐蚀或导电性等要求。

如以提高工作层耐磨性能为主，可以选择：不锈钢、高铬钢、高锰钢、高速钢、模具钢、轴承钢、弹簧钢中的一种或多种；或含大于零小于99重量百分比的碳化钨、碳化钛、碳化铬、氮化硼、氧化铝、氧化锆等陶瓷粉末的铁基、铜基、镍基、钴基合金中的一种或多种；或高铬铸铁、高合金铸铁等。

如以提高工作层高温耐磨性能、抗疲劳性能为主，可以选择：不锈钢、高速钢、模具钢中的一种或多种；或含大于零小于99重量百分比的碳化钨、碳化钛、碳化铬、氮化硼、氧化铝、氧化锆等陶瓷粉末的铁基、铜基、镍基、钴基合金中的一种或多种；或高铬稀土铸铁、高合金铸铁等。

如以提高工作层耐高温性能为主，可以选择：不锈钢、耐热钢、高速钢、模具钢中的一种或多种；或含大于零小于99重量百分比的碳化钨、碳化钛、碳化铬、氮化硼、氧化铝、氧化锆等陶瓷粉末的铁基、铜基、镍基、钴基合金中的一种或多种；或高硅高铬铸铁、高合金铸铁等。

如以提高工作层耐腐蚀性能为主，可以选择：不锈钢、Ni系合金、Al及Al合金、Zn及Zn合金、Ti及Ti合金、Ag及Ag合金等。

如以提高工作层导电性能为主，可以选择：Ag及Ag合金、Cu及Cu合金、Al及Al合金等。

如以提高工作层导磁性能为主，可以选择：硅钢、纯铁、铁氧体等。

工作层为陶瓷或高合金层时，与工作层相溶的过渡层采用高含量陶瓷或高含量合金层为过渡层材料。

梯度复合材料制备方法，第一步：根据复合材料整体及工作层所需的特定性能，设计并选择基体材料、n层过渡层、工作层材料及各层所需厚度、复合工艺；第二步：制备工件基体材料并通过热处理调整组织状态；第三步：制备或准备所有过渡层、工作层材料实芯焊丝、药芯焊丝或焊带，并选择相应的助焊剂或保护气体，通过埋弧焊、明弧焊、气保焊、电渣焊、高能焊等方法中一种或多种，逐层复合在基体材料表面。第三步：通过热处理调整工作层组织状态。

本发明的特点是：1、通过材料设计和选择，最大限度利用基体材料刚度、韧性等机械性能并降低制造成本，最大限度节约并利用工作层所需的贵重合金。

2、本发明制备的梯度复合材料中基体、所有过渡层、工作层之间或层内材料成份、性能呈受控的梯度变化，各层成分合理过渡、相容性好、层间结合牢固(均为冶金结合)、物理化学性能差异小，可实现大型工件、大尺寸复合层、成分差异性大的材料复合。

3、与其它复合材料制备工艺相比，本发明工艺简便、可靠、重现性好，设备成本低，无需任何前处理，生产效率高。

4、本发明制备的梯度复合材料几乎不受工件形状限制，并可最大限度接近成品形状，以减少工作层耗量。

5、本发明制备的梯度复合材料工作层复合后表面稍有凹凸不平，非配合面可直接使用，配合面可以控制加工余量，经车削、磨削或抛光后使用。

6、本发明的制备工艺不仅可以制造新的梯度复合材料，还可以修复的工作层已损坏或磨损后梯度复合材料或其它可用作梯度复合材料中基体材料的任何材料，或对其进行再加工。

总之，本发明构成整体综合性能合理、过渡层物理化学性能差异小、工作层性能优异、各层均为冶金结合的复合材料。

四、具体实施方式

实施例1：

梯度复合材料型钢开坯轧辊基体材料为单重5吨的70Mn铸钢，第一过渡层采用Cr系合金(含Cr0.5～5％)、厚度0.1～3mm；第二过渡层采用CrMo系合金(含Cr0.5～5％，Mo0.1～4％)、厚度0.5～3mm；工作层材料采用WCrMoV系高速钢(含W4～15％，Cr2～8％、Mo2～15％、V2～10％)，厚度3-30mm。第一过渡层、第二过渡层材料制备成直径4mm实芯焊丝，工作层材料制备成2.4mm药芯焊丝。复合工艺均采用埋弧焊，第一过渡层、第二过渡层复合工作电流360A，工作电压36V，焊剂采用烧结型；工作层复合工作电流280A，工作电压36V，焊剂采用烧结型。各道次均最终孔型仿型复合，工作层加工余量为2mm。工作层经热处理调整组织后硬度大于HRC56，第一过渡层、第二过渡层硬度为HRC48～52，基体材料硬度为HRC42～45，反映性能呈梯度分布。轧制螺纹钢性能达到单槽单次过钢量25000吨，为使用70Mn铸钢辊的3～5倍，单次磨损小于2mm，加工使用次数大于4次，再修复或再加工次数大于10次，综合成本约为使用70Mn铸钢型钢开坯轧辊的1/10。

实施例2：

梯度复合材料不锈钢带钢开坯轧辊基体材料为单重5吨的含碳量1.2～2.0半钢，第一过渡层采用NiCr系合金(含Ni0.5～5％，Cr0.5～5％)、厚度1～5mm；第二过渡层采用NiCrMo系合金(含Ni0.5～5％，Cr2～10％，Mo0.5～3％)、厚度1～5mm；工作层材料采用含WC合金(WC 0.05～5％)、厚度3～30mm。第一过渡层、第二过渡层材料制备成直径3.2mm实芯焊丝，工作层材料制备成2.4mm药芯焊丝。复合工艺均采用埋弧焊，第一过渡层、第二过渡层复合工作电流360A，工作电压36V，焊剂采用烧结型；工作层复合工作电流280A，工作电压36V，焊剂采用烧结型。各道次均最终孔型仿型复合，工作层加工余量为2mm。工作层经热处理调整组织后硬度大于HRC58，第一过渡层、第二过渡层硬度为HRC50～53，基体材料硬度为HRC45～48，反映性能呈梯度分布。轧制不锈钢性能达到单槽单次过钢量2000吨，为使用半钢辊的1～3倍，单次磨损小于2mm，加工使用次数大于4次，再修复或再加工次数大于10次，综合成本约为使用B160半钢辊的1/3。

实施例3：

梯度复合材料不锈钢带钢开坯轧辊基体材料为单重5吨的75CrMo，第一过渡层、第二过渡层均采用NiCrMo系合金(含Ni0.5～5％，Cr2～10％，Mo0.5～3％)、总厚度是2～7mm；工作层材料采用马氏体不锈钢、厚度3～30mm。第一过渡层、第二过渡层、工作层材料均制备成直径3.2mm实芯焊丝，工作层最后一道材料粒度50～100目镍基碳化钨、碳化钛粉体(含碳化钨0.01～50％，碳化钛0.01～50％)。第一过渡层、第二过渡层、工作层材料复合工艺均采用埋弧焊，第一过渡层、第二过渡层复合工作电流380A，工作电压36V，焊剂采用烧结型；工作层复合工作电流360A，工作电压36V，焊剂采用烧结型；各道次均最终孔型仿型复合，工作层加工余量为2mm。工作层经热处理调整组织后硬度大于HRC58，加工至最终孔型，再进行工作层最后一道复合，复合工艺采用激光熔覆，厚度为0.5～3mm，表层硬度大于HRC61。轧制不锈钢性能达到单槽单次过钢量2500吨，为使用半钢辊的1～3倍，综合成本约为使用半钢辊的1/3。

本发明的实施例4：

梯度复合材料耐腐蚀工件原整体采用厚度35mm的304不锈钢制造，现基体材料选用厚度30mm的45钢，第一过渡层采用Cr系合金(含Cr0.5～5％)，厚度为0.5～3mm；第二过渡层采用CrNi系合金(含Ni0.5～5％，Cr0.5～5％)，厚度为0.5～5mm；工作层材料采用316L不锈钢、厚度3～8mm。第一过渡层、第二过渡层、工作层材料均制备成直径1.6mm气保焊丝，复合工艺均采用气保焊，复合工作电流180A，工作电压36V。耐腐蚀性能较原工件提高一倍，制造成本仅为原产品的1/3。

实施例5：

梯度复合材料滚焊轮原整体采用CuCrZr合金制造，直径为280mm，现基体材料选用直径260mm的超低碳钢，第一过渡层采用Ni系合金(含Ni≥50％)，厚度为1～5mm；第二过渡层采用NiCu系合金(含Ni0.5～5％，Cu0.5～5％)，厚度为1～5mm；工作层材料采用CuCrZr合金，厚度为7-9mm；第一过渡层、第二过渡层、工作层材料均制备成直径1.6mm气保焊丝，复合工艺均采用气保焊，复合工作电流180A，工作电压36V。导电性与原产品相近，软化温度优于原产品，制造成本仅为原产品的1/8。

如上述滚焊轮选择基体材料为超低碳钢，第一过渡层采用Ni系合金，厚度为2mm；第二过渡层采用NiCu系合金，厚度为4mm；工作层材料采用CuCrZr合金，厚度为8mm；第一过渡层、第二过渡层、工作层材料均制备成直径1-2mm气保焊丝，复合工艺均采用气保焊。

实施例6：

梯度复合材料破碎机锤头原整体采用高铬铸铁制造，现基体材料选用45铸造碳钢，第一过渡层采用低合金钢，厚度为1～3mm；第二过渡层采用中锰钢，厚度为1～3mm；工作层材料采用高铬铸铁(Cr2～50％)，厚度为5～15mm；第一过渡层、第二过渡层、工作层材料均制备成直径3-5mm焊丝，复合工艺均采用明弧焊，复合工作电流380A，工作电压36V。耐磨性能较原工件提高一倍，制造成本仅为原产品的1/2。

实施例7：

梯度复合材料调速电机转子原整体采用碳钢制造，现基体材料(中部)选用45碳钢制造，两端对称采用导电好、漏磁小的纯铜或纯铝，第一过渡层采用Ni系合金(含Ni≥50％)，厚度为1～5mm；工作层为纯铜时，第二过渡层采用NiCu系合金(起码含Ni0.5～5％，Cu2～10％)，厚度为1～5mm；工作层为纯铝时，第二过渡层采用NiAl系合金(起码含Ni5％，Al0.5～5％)，厚度为1～5mm；工作层材料可采用纯铜或纯铝，厚度为5～200mm；第一过渡层、第二过渡层、工作层材料均制备成直径1.6mm气保焊丝，复合工艺均采用气保焊，复合工作电流280A，工作电压36V。端部漏磁可大幅减小，电磁效率可提高二个百分点。

实施例8：

梯度复合材料铁轨道叉基体材料为铁轨，第一过渡层采用Cr系合金(含Cr0.5～5％，Mn0.5～5％)，厚度为1～5mm；第二过渡层采用Cr Mn系合金(含Cr0.5～5％，Mn5～10％)，厚度为1～5mm；工作层为高锰合金(含Cr0.5～5％，Mn5～30％)，厚度为5～200mm；第一过渡层、第二过渡层、工作层材料均制备成直径2.8mm药芯焊丝，复合工艺均采用电渣焊。

实施例9：

梯度复合材料高温高压阀门基体材料为321不锈钢，第一过渡层采用Cr系合金(含Cr18～23％，W0.5～5％)，厚度为1～5mm；第二过渡层采用Cr W系合金(含Cr18～23％，W5～10％)，厚度为1～5mm；工作层为Cr W系合金(含Cr18～23％，W5～30％)，厚度为0.2～10mm；第一过渡层、第二过渡层、工作层材料均制备成直径3.2mm药芯焊丝。第一过渡层、第二过渡层复合工艺采用埋弧焊，工作电流360A，工作电压36V，焊剂采用烧结型。工作层复合工艺采用等离子喷焊。

Claims (10)

1、梯度复合材料，其特征是材料由基体、过渡层、工作层组成；这种材料自基体至工作层或层内材料成份、性能呈受控的梯度变化，各层均为冶金结合的复合材料；过渡层包括二层至n个过渡层，n取6-100，工作层由一层至多层组成。

2、根据权利要求1所述的梯度复合材料，其特征是过渡层包括第一过渡层和第二过渡层，第一过渡层材料厚0.1～50mm，第二过渡层材料厚0.1～50mm，工作层材料厚0.1～1000mm。典型的过渡层材料厚度选0.5～5mm，工作层材料厚度2～30mm。

3、根据权利要求1或2所述的梯度复合材料，其特征是梯度复合材料的工作层为陶瓷或高合金层时，与工作层相溶的过渡层采用高含量陶瓷或高含量合金层为过渡层材料。

4、根据权利要求1或2所述的梯度复合材料，其特征是梯度复合材料的基体材料是碳素钢、合金钢、工模具钢、齿轮钢、轴承钢、不锈钢、高速钢、弹簧钢、铸铁或其它较经济且具有一定机械性能的结构材料；过渡层材料是Ni系合金、Cr系合金、Cu系合金、Cr-Mo系合金、Ni、Cr、Mo多元合金中的一种或多种。

5、根据权利要求1、2或3所述的梯度复合材料，其特征是工作层材料根据使用性能选择，为相应的耐磨、耐高温、耐腐蚀、导电性、导磁性的材料：

1、)耐磨梯度复合材料中工作层是：不锈钢、高铬钢、高锰钢、高速钢、模具钢、轴承钢、弹簧钢中的一种或多种；或含大于零小于99重量百分比的碳化钨、碳化钛、碳化铬、氮化硼、氧化铝、氧化锆等陶瓷粉末的铁基、铜基、镍基、钴基合金中的一种或多种；或高铬铸铁、高合金铸铁；

2、)高温耐磨性能、抗疲劳性能梯度复合材料中工作层是：不锈钢、高速钢、模具钢中的一种或多种；或含大于零小于99重量百分比的碳化钨、碳化钛、碳化铬、氮化硼、氧化铝、氧化锆等陶瓷粉末的铁基、铜基、镍基、钴基合金中的一种或多种；或高铬稀土铸铁、高合金铸铁；

3、)耐高温梯度复合材料中工作层是：不锈钢、热钢、高速钢、模具钢中的一种或多种；或含大于零小于99重量百分比的碳化钨、碳化钛、碳化铬、氮化硼、氧化铝、氧化锆等陶瓷粉末的铁基、铜基、镍基、钴基合金中的一种或多种；或高硅高铬铸铁、高合金铸铁；

4、)耐腐蚀梯度复合材料中工作层是：不锈钢、Ni系合金、Al及Al合金、Zn及Zn合金、Ti及Ti合金、Ag及Ag合金；

5、)高导电性能梯度复合材料中工作层是：Ag及Ag合金、Cu及Cu合金、Al及Al合金；

6、)磁性能梯度复合材料中工作层是：硅钢、硬磁材料、纯铁或铁氧体、铜、铝等非导磁材料。

6、一种梯度复合材料制备方法，其特征是通过复合工艺逐层在基体材料复合过渡层材料、工作层材料，多层过渡层材料的复合工艺是埋弧焊、明弧焊、气保焊或电渣焊等方法中一种或多种，工作层的复合方法还在激光或等离子高能焊中选择，每一过渡层与工作层分别根据需要复合一层或多层。

7、根据权利要求6所述的梯度复合材料制备方法，其特征是根据权利要求3-6之一的基体、所有过渡层和工作层材料设计，将所有过渡层和工作层制成实芯、包芯焊丝、焊带或粉体，通过埋弧焊、明弧焊、气保焊、电渣焊、激光或等离子等高能焊等方法中一种或多种的逐层复合在基体材料上。

8、根据权利要求5所述的梯度复合材料，其特征是梯度复合材料滚焊轮选择基体材料为超低碳钢，第一过渡层采用含Ni≥50％的Ni系合金，厚度为1-5mm；第二过渡层采用含Ni0.5～5％，Cu0.5～5％的NiCu系合金，厚度为1-5mm；工作层材料采用CuCrZr合金，厚度为7-9mm；第一过渡层、第二过渡层、工作层材料均制备成直径1-2mm气保焊丝，复合工艺均采用气保焊。

9、根据权利要求5所述的梯度复合材料，其特征是梯度复合材料破碎机锤头基体材料45铸造碳钢，第一过渡层采用低合金钢，厚度为1-3mm；过渡层采用中锰钢，厚度为1-3mm；工作层材料采用高锰钢，厚度为5-15mm；第一过渡层、第二过渡层、工作层材料均均制备成直径3-5mm焊丝，复合工艺均采用明焊弧焊。

10、根据权利要求5所述的梯度复合材料，其特征是梯度复合材料调速电机转子的基体材料选用碳钢制造，两端对称采用导电好、漏磁小的纯铜或纯铝，第一过渡层采用含Ni≥50％的Ni系合金，厚度为1～5mm；工作层为纯铜时，第二过渡层采用含Ni0.5～5％，Cu2～10％的NiCu系合金，厚度为1～5mm；工作层为纯铝时，第二过渡层采用含Ni5％，Al0.5～5％的NiAl系合金，厚度为15mm；工作层材料可采用纯铜或纯铝，厚度为5～200mm。