CN101570859A - 一种具有网络结构纳米增强相的铁基表面复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的制备方法，所述方法是燃烧合成反应技术和激光熔覆技术的有机结合。本发明的制备方法可制备表面致密、具有网络结构纳米陶瓷增强相的大面积、大尺寸的铁基复合材料，且所制备的复合材料的硬度可达基材硬度的2～3倍，磨损体积可达基材磨损体积的1/6～1/4，耐磨性可达基材耐磨性的4～6倍。本发明的具有网络结构纳米陶瓷增强相涂层为原位自生，涂层与基体的结合为冶金结合，因此本发明还具有工艺简单、节能、涂层纯度高、微观组织致密良好等优点。

Description

一种具有网络结构纳米增强相的铁基表面复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有网络结构增强相的铁基表面复合材料的制备方法，具体说，是涉及一种具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的制备方法。

背景技术

人类社会的进步和科学技术的发展对材料的性能要求越来越高，传统的匀质材料已难以满足实际的需要，因此，研究和开发新型复合材料已成为材料发展的必然趋势。

传统的金属基复合材料，其增强相一般为颗粒、晶须/短纤维、连续长纤维等。随着复合材料“结构-功能”一体化的要求以及增加第二相粒子体积分数的发展趋势，促使了一种新型复合材料的出现，即网络结构增强复合材料。网络结构增强的复合材料，基体与增强相在空间形成了各自连续并相互贯穿的三维网络结构，组成网络结构的每一种组元的特性基本保持不变。因此，网络结构增强是一种全新的增强方式，其综合强化效果通常要好于传统的连续长纤维增强、晶须/短纤维增强和颗粒增强。目前已有专利文献CN1676242和论文“三维连续网络结构增强金属基复合材料及其制备”(科学通报，1999(6)：608-612)报道了网络陶瓷骨架增强金属基复合材料的研究成果。上述研究中的网络结构增强相都是采取预先制备或直接借助多孔材料为网络结构增强体，然后再辅以压铸、浸渍等后续工艺制备复合材料，复合材料的基体为低熔点的有色轻金属。

铁基材料是应用最为广泛的工程材料，尤其网络结构增强铁基复合材料具有优异的耐磨损、耐高温、抗冲击性能，且性价比高，因此开展网络结构增强铁基复合材料的研究和开发具有重要的现实意义。但铁基熔点高、密度大，制备相应复合材料较为困难。虽然本发明人采用燃烧合成技术制备了具有网络结构的WC-Cr₃C₂陶瓷增强相的铁基复合材料(参见专利文献：CN101041876)，但该制备方法存在以下问题：如反应较为剧烈，反应过程难以控制，需要在特制的压力容器中进行，制备的复合材料尺寸大小受设备所限，存在裂纹、孔洞、致密度低等缺陷。

激光熔覆技术是利用高能密度的激光束在基体表面形成冶金结合、且具有多种成分与性能的合金覆层的工艺方法。由于激光表面熔覆技术具有高加工速度与精度，被加工工件变形小，覆层与基体具有良好的冶金结合、组织致密等优点，因此成为激光表面处理技术的主要研究方向。利用激光熔覆的高能量密度的特性，可对复合材料进行致密化和表面修饰处理，且能制备大面积、大尺寸的复合材料，但是激光熔覆技术通常所需CO₂激光功率较大，须配备具有高重复性及稳定性的高功率CO₂激光器。因此，如何有机结合燃烧合成反应技术和激光熔覆技术的优点，制备表面致密、具有网络结构增强相的大面积、大尺寸的铁基复合材料，目前还未见有关报道。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术所存在的缺陷，提供一种能有机结合燃烧合成反应技术和激光熔覆技术的优点，制备表面致密、具有网络结构纳米陶瓷增强相的大面积、大尺寸的铁基表面复合材料的制备方法。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的制备方法，其具体步骤如下：

a)对铁基材料表面进行清洁预处理；

b)将组成铁基表面复合材料涂层的各层反应物料按配比称量后分别进行预混，预混时间均为4～8小时，然后均于60～100℃分别烘干；所述涂层自下而上依次为反应润湿层、增强相生成层和热量补充及表面修饰层，其中：反应润湿层的反应物料的总重占涂层物料总重的20～30％，增强相生成层的反应物料的总重占涂层物料总重的60～70％，热量补充及表面修饰层的反应物料的总重占涂层物料总重的10～15％；

c)将步骤b)中烘干后的各层反应混合物料自下而上依层涂覆于预处理后的铁基材料的表面上；

d)将步骤c)中涂覆好反应物料的铁基材料放入烘箱中于30～50℃预干燥1～2小时；

e)将步骤d)中预干燥后的试样材料置于工作台上用二氧化碳激光器进行扫描，扫描操作的工艺参数如下：功率1400～1800W，离焦量200～240mm，光斑直径1～5mm，扫描速度8～12mm/s；

f)当激光器扫描完试样材料就结束反应，然后水冷使熔渣层剥落即可得到目标复合材料。

所述反应润湿层的反应物料为CrO₃和Al，CrO₃与Al的摩尔比为1∶2。

所述增强相生成层的反应物料为混合物A和混合物B，混合物A与混合物B的重量比为1∶2～2∶1；所述混合物A为WO₃、C和Al的混合物，WO₃、C与Al的摩尔比为1∶2∶1；所述混合物B为CrO₃、C和Al的混合物，CrO₃、C与Al的摩尔比为3∶6∶2。

所述热量补充及表面修饰层的反应物料为Fe₂O₃和Al，Fe₂O₃与Al的摩尔比为1∶2。

所述增强相生成层的反应物料的涂覆顺序为先混合物B、然后混合物A。

所述热量补充及表面修饰层的反应物料中可含有为其总重3％～7％的SiO₂或Y₂O₃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)因本发明使燃烧合成反应技术和激光熔覆技术实现了有机结合，因此本发明的制备方法可制备表面致密、具有网络结构纳米陶瓷增强相的大面积、大尺寸的铁基表面复合材料。

2)因本发明的涂层均为原位自生，因此本发明制备的复合材料的涂层与基体的结合为冶金结合，将该复合材料循环进行高温加热、水骤冷实验50次以上，其涂层仍未出现剥落、开裂现象。

3)因本发明的涂层均为原位自生，整个材料的复合过程可一步完成，因此本发明具有工艺简单、节能、涂层纯度高、微观组织致密良好等优点。

4)因本发明制备的涂层具有网络结构纳米陶瓷增强相，因此本发明制备的复合材料的硬度可达基材硬度的2～3倍，磨损体积可达基材磨损体积的1/6～1/4，耐磨性可达基材耐磨性的4～6倍。

附图说明

图1为本发明的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的低倍扫描电镜图；

图2为本发明的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的高倍扫描电镜图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围：

实施例1

a)对基材表面进行清洁预处理：即将尺寸为50mm×40mm×20mm的45#钢材进行酸洗除锈后，用180#水砂纸打磨其表面，然后再酸洗使表面粗化，最后超声清洗干净后即可；

b)对组成涂层的各层反应物料分别进行预混：首先按配比称量涂层的各层反应物料，然后分别在混料机中进行预混，预混时间均为4～8小时，然后均于60～100℃分别烘干即可；所述涂层自下而上依次为反应润湿层、增强相生成层和热量补充及表面修饰层，反应润湿层的反应物料为CrO₃和Al，其中CrO₃与Al的摩尔比为1∶2，两者的总重占涂层物料总重的25％；增强相生成层的反应物料为混合物A和混合物B，混合物A为WO₃、C和Al的混合物，混合物B为CrO₃、C和Al的混合物，其中混合物A与混合物B的重量比为1∶1，两者的总重占涂层物料总重的60％，且混合物A中的WO₃、C与Al的摩尔比为1∶2∶1，混合物B中的CrO₃、C与Al的摩尔比为3∶6∶2；热量补充及表面修饰层的反应物料为Fe₂O₃和Al，其中Fe₂O₃与Al的摩尔比为1∶2，两者的总重占涂层物料总重的15％；

c)将步骤b)中烘干后的各层反应混合物料自下而上依层涂覆于预处理后的基材表面上，其中增强相生成层的反应物料的涂覆顺序为先混合物B、然后混合物A；

d)将步骤c)中涂覆好反应物料的基材放入烘箱中于30～50℃预干燥1～2小时；

e)将步骤d)中预干燥后的试样材料置于工作台上用二氧化碳激光器进行扫描，扫描操作的工艺参数如下：功率1400～1800W，离焦量200～240mm，光斑直径1～5mm，扫描速度8～12mm/s；

f)当激光器扫描完试样材料就结束反应，然后水冷使熔渣层剥落即可得到目标复合材料。

由图1可见：所制备的涂层中的增强相为分布均匀的三维连续网络状结构；由图2可见：所制备的涂层中的增强相是由平均粒径为60～90nm的纳米颗粒组成。

用HV-50型维氏硬度计测定所制备的复合材料硬度，其中：载荷为5kgf，保持时间为15秒。

用德国制造的SRV摩擦磨损试验机对所制备的复合材料进行摩擦磨损试验，试验条件及参数见表1所示，然后通过Talysurf 5P-120表面形貌仪测定磨损表面的形貌曲线，根据形貌曲线提供的数据，通过以下公式计算磨损体积：

$V=S\×L+\mathrm{\π}{h}^2(\frac{D}{2}-\frac{h}{3})$

式中：S-磨痕横截面磨损面积(mm²)；L-冲程(mm)；D-玛瑙球直径(mm)；h-磨痕深度(mm)。

表1摩擦磨损试验条件及参数

测试结果为：本实施例制备的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的硬度为6.1GPa，磨损体积约为4.4×10⁴μm³；而基材的硬度为2.4GPa，磨损体积为1.8×10⁵μm³。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：所述反应润湿层的反应物料的总重占涂层物料总重的20％；增强相生成层的反应物料的总重占涂层物料总重的70％，热量补充及表面修饰层的反应物料的总重占涂层物料总重的10％。

其余内容均与实施例1中所述相同。

本实施例制备的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的硬度为6.9GPa，磨损体积约为3.8×10⁴μm³。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于：所述反应润湿层的反应物料的总重占涂层物料总重的30％；增强相生成层的反应物料的总重占涂层物料总重的60％，热量补充及表面修饰层的反应物料的总重占涂层物料总重的10％。

其余内容均与实施例1中所述相同。

本实施例制备的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的硬度为6.5GPa，磨损体积约为4.0×10⁴μm³。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于：所述增强相生成层的反应物料中的混合物A与混合物B的重量比为1∶2。

其余内容均与实施例1中所述相同。

本实施例制备的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的硬度为6.3GPa，磨损体积约为4.4×10⁴μm³。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处在于：所述增强相生成层的反应物料中的混合物A与混合物B的重量比为2∶1。

其余内容均与实施例1中所述相同。

本实施例制备的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的硬度为6.2GPa，磨损体积约为4.5×10⁴μm³。

实施例6

本实施例与实施例1的不同之处在于：所述热量补充及表面修饰层的反应物料中含有为其总重5％的SiO₂。

其余内容均与实施例1中所述相同。

本实施例制备的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的硬度为6.4GPa，磨损体积约为4.1×10⁴μm³。

实施例7

本实施例与实施例1的不同之处在于：所述热量补充及表面修饰层的反应物料中含有为其总重5％的Y₂O₃。

其余内容均与实施例1中所述相同。

本实施例制备的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的硬度为6.7GPa，磨损体积约为3.9×10⁴μm³。

Claims (6)

1.一种具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下具体步骤：

a)对铁基材料表面进行清洁预处理；

b)将组成铁基表面复合材料涂层的各层反应物料按配比称量后分别进行预混，预混时间均为4～8小时，然后均于60～100℃分别烘干；所述涂层自下而上依次为反应润湿层、增强相生成层和热量补充及表面修饰层，其中：反应润湿层的反应物料的总重占涂层物料总重的20～30％，增强相生成层的反应物料的总重占涂层物料总重的60～70％，热量补充及表面修饰层的反应物料的总重占涂层物料总重的10～15％；

c)将步骤b)中烘干后的各层反应混合物料自下而上依层涂覆于预处理后的铁基材料的表面上；

d)将步骤c)中涂覆好反应物料的铁基材料放入烘箱中于30～50℃预干燥1～2小时；

e)将步骤d)中预干燥后的试样材料置于工作台上用二氧化碳激光器进行扫描，扫描操作的工艺参数如下：功率1400～1800W，离焦量200～240mm，光斑直径1～5mm，扫描速度8～12mm/s；

f)当激光器扫描完试样材料就结束反应，然后水冷使熔渣层剥落即可得到目标复合材料。

2.根据权利要求1所述的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的制备方法，其特征在于，所述反应润湿层的反应物料为CrO₃和Al，CrO₃与Al的摩尔比为1∶2。

3.根据权利要求1所述的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的制备方法，其特征在于，所述增强相生成层的反应物料为混合物A和混合物B，混合物A与混合物B的重量比为1∶2～2∶1；所述混合物A为WO₃、C和Al的混合物，WO₃、C与Al的摩尔比为1∶2∶1；所述混合物B为CrO₃、C和Al的混合物，CrO₃、C与Al的摩尔比为3∶6∶2。

4.根据权利要求1所述的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的制备方法，其特征在于，所述热量补充及表面修饰层的反应物料为Fe₂O₃和Al，Fe₂O₃与Al的摩尔比为1∶2。

5.根据权利要求1所述的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的制备方法，其特征在于，所述热量补充及表面修饰层的反应物料中含有为其总重3％～7％的SiO₂或Y₂O₃。

6.根据权利要求3所述的具有网络结构纳米陶瓷增强相的铁基表面复合材料的制备方法，其特征在于，所述增强相生成层的反应物料的涂覆顺序为先混合物B、然后混合物A。

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