CN102605207A - 一种梯度金属陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无机材料制备技术领域，涉及梯度金属陶瓷复合材料及其制备方法。本发明是利用高放热燃烧反应，原位合成金属熔体与陶瓷颗粒，并在超重力场作用下，使陶瓷颗粒在金属熔体中形成梯度分布，冷却凝固之后，得到的梯度金属陶瓷复合材料是由FeNiCr/NiAl金属相和TiC/TiB2陶瓷相共同组成，且沿纵向厚度方向，所述梯度金属陶瓷复合材料中的FeNiCr/NiAl金属相与TiC/TiB2陶瓷相的含量呈连续梯度变化，一侧的表面为FeNiCr/NiAl金属相，另一侧的表面为FeNiCr/NiAl/TiC/TiB2金属陶瓷相，且所述另一侧的表面中的TiC/TiB2陶瓷相的体积分数为93％≤体积分数＜100％。
Description
技术领域
本发明属于无机材料制备技术领域，特别涉及梯度金属陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术
金属陶瓷是金属相与陶瓷相共同组成的一种复合材料，它具有高硬度、高强度、高韧性和优良的耐磨性，在工业上有着广泛的应用。
梯度金属陶瓷，是指成分与性能沿某一方向呈梯度变化的金属陶瓷。梯度金属陶瓷中，金属含量较高的一侧，具有较好的韧性和较强的塑性变形能力，陶瓷含量较高的一侧，具有较高的硬度和优良的耐磨性。
梯度金属陶瓷，可通过粉末冶金、焊接等方法制备。用这两种方法制备的梯度金属陶瓷，难以形成连续梯度，不同成分区域之间存在界面。界面附近常会有应力集中或者气孔、裂纹等缺陷，严重损害材料的力学性能。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种梯度金属陶瓷复合材料。
本发明的目的之二是提供一种梯度金属陶瓷复合材料的制备方法。
本发明的梯度金属陶瓷复合材料是由FeNiCr/NiAl金属相和TiC/TiB2陶瓷相共同组成，且沿纵向厚度方向，所述的梯度金属陶瓷复合材料中的FeNiCr/NiAl金属相与TiC/TiB2陶瓷相的含量呈连续梯度变化，一侧的表面为FeNiCr/NiAl金属相，另一侧的表面为FeNiCr/NiAl/TiC/TiB2金属陶瓷相，且所述另一侧的表面中的TiC/TiB2陶瓷相的体积分数为93％≤体积分数＜100％。
所述的FeNiCr/NiAl金属相中的FeNiCr形成三维网状编织结构，嵌入在三维网状编织结构中的NiAl晶粒的平均晶粒尺寸为50～100nm。
本发明的梯度金属陶瓷复合材料是利用高放热燃烧反应，原位合成金属熔体与陶瓷颗粒，并在超重力场作用下，使陶瓷颗粒在金属熔体中形成梯度分布，冷却凝固之后，得到梯度金属陶瓷复合材料。
本发明的梯度金属陶瓷复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)配制反应剂
以Al、Fe2O3、NiO、Cr2O3、Ti、C和CB4的粉末为原料，将上述粉末原料混合均匀并充分干燥，制得反应剂；其中，反应剂中各粉末原料之间的摩尔比为：
Al∶Fe2O3∶NiO∶Cr2O3＝(2.3+2x)∶1∶0.3∶x，x＝0.1～0.3；
Ti∶C∶CB4＝(1+3y)∶1∶y，y＝0.5～1；
Al、Fe2O3、NiO和Cr2O3的质量总和在反应剂中所占的质量百分数为50～80％；
(2)超重力场中燃烧合成
将步骤(1)配制好的反应剂压制成孔隙率为45～65％的粉末压坯后装入石墨坩埚，并置于超重力场中，以电热点火方式诱发反应剂之间发生剧烈燃烧反应；反应完成后，得到的产物自然分离为两层，上层为氧化铝，下层为梯度金属陶瓷复合材料，剥离上层的氧化铝，得到所述的梯度金属陶瓷复合材料。
所述的超重力场是通过高速离心产生，其加速度为10000～50000m2/s。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的梯度金属陶瓷复合材料中的FeNiCr/NiAl金属相与TiC/TiB2陶瓷相的含量呈连续梯度变化，没有明显的界面以及气孔、裂纹等缺陷；其中所述的TiC/TiB2陶瓷相不是通过原料直接添加，而是由燃烧反应原位生成，因此在金属基体中分布非常均匀；另外，该梯度金属陶瓷复合材料中的FeNiCr/NiAl金属相与TiC/TiB2陶瓷相的含量的梯度变化很大，两侧成分差异显著，一侧的表面为FeNiCr/NiAl金属相，不含陶瓷相，另一侧的表面以TiC/TiB2陶瓷相为主，其体积分数为93％≤体积分数＜100％。
(2)本发明的梯度金属陶瓷复合材料的耐磨性比市售的同类金属陶瓷复合材料有大幅度提高(如表1所示)。
(3)本发明的制备方法中所采用的超重力场的加速度高达10000～50000m2/s，可以制备出具有很大成分梯度的金属陶瓷复合材料。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不应视为仅仅局限于下面的实施例。
实施例1.
以Al、Fe2O3、NiO、Cr2O3、Ti、C和CB4粉末为原料，将上述粉末原料混合均匀并充分干燥，制得反应剂；其中，反应剂中各粉末原料之间的摩尔比为：
Al∶Fe2O3∶NiO∶Cr2O3＝2.7∶1∶0.3∶0.2；Ti∶C∶CB4＝2.5∶1∶0.5。Al、Fe2O3、NiO和Cr2O3的质量总和在反应剂中所占的质量百分数为70％。
将配制好的反应剂压制成孔隙率为50％的粉末压坯后装入石墨坩埚，并置于加速度为10000m2/s的超重力场中，以电热点火方式诱发反应剂之间发生剧烈燃烧反应；反应完成后，得到的产物自然分离为两层，上层为氧化铝，下层为梯度金属陶瓷复合材料，剥离上层的氧化铝，得到梯度金属陶瓷复合材料。
得到的梯度金属陶瓷复合材料是由FeNiCr/NiAl金属相和TiC/TiB2陶瓷相共同组成，且沿纵向厚度方向，所述的梯度金属陶瓷复合材料中的FeNiCr/NiAl金属相与TiC/TiB2陶瓷相的含量呈连续梯度变化；所述的梯度金属陶瓷复合材料的一侧的表面为FeNiCr/NiAl金属相，其中所述的FeNiCr/NiAl金属相中的FeNiCr形成三维网状编织结构，嵌入在三维网状编织结构中的NiAl晶粒的平均晶粒尺寸为85nm；所述的梯度金属陶瓷复合材料的另一侧的表面为FeNiCr/NiAl/TiC/TiB2金属陶瓷相，且所述另一侧的表面中的TiC/TiB2陶瓷相的体积分数为93％。
表1是本实施例中所得到的梯度金属陶瓷复合材料与市售的同类金属陶瓷复合材料的耐磨性能比较。
表1
| 梯度金属陶瓷复合材料 | 市售金属陶瓷复合材料(YN10) | |
| 点磨损(mm3) | 0.026 | 0.090 |
| 面磨损(mm3) | 0.17 | 0.35 |
点磨损性能：利用SRV高温摩擦磨损试验机进行测试，试验载荷为400N，钢球振动频率为50Hz，振幅为1mm，加载时间为1小时。
面磨损性能：采用MM-200型环-块干滑动磨损试验机进行测试，对磨环材料为GCr15钢，试验载荷为113.7N，对磨环转速为400r/min，加载时间为1小时。
实施例2.
以Al、Fe2O3、NiO、Cr2O3、Ti、C和CB4粉末为原料，将上述粉末原料混合均匀并充分干燥，制得反应剂；其中，反应剂中各粉末原料之间的摩尔比为：
Al∶Fe2O3∶NiO∶Cr2O3＝2.5∶1∶0.3∶0.1；Ti∶C∶CB4＝3.1∶1∶0.7。Al、Fe2O3、NiO和Cr2O3的质量总和在反应剂中所占的质量百分数为80％。
将配制好的反应剂压制成孔隙率为45％的粉末压坯后装入石墨坩埚，并置于加速度为25000m2/s的超重力场中，以电热点火方式诱发反应剂之间发生剧烈燃烧反应；反应完成后，得到的产物自然分离为两层，上层为氧化铝，下层为梯度金属陶瓷复合材料，剥离上层的氧化铝，得到梯度金属陶瓷复合材料。
得到的梯度金属陶瓷复合材料是由FeNiCr/NiAl金属相和TiC/TiB2陶瓷相共同组成，且沿纵向厚度方向，所述的梯度金属陶瓷复合材料中的FeNiCr/NiAl金属相与TiC/TiB2陶瓷相的含量呈连续梯度变化；所述的梯度金属陶瓷复合材料的一侧的表面为FeNiCr/NiAl金属相，其中所述的FeNiCr/NiAl金属相中的FeNiCr形成三维网状编织结构，嵌入在三维网状编织结构中的NiAl晶粒的平均晶粒尺寸为90nm；所述的梯度金属陶瓷复合材料的另一侧的表面为FeNiCr/NiAl/TiC/TiB2金属陶瓷相，且所述另一侧的表面中的TiC/TiB2陶瓷相的体积分数为95％。
实施例3.
以Al、Fe2O3、NiO、Cr2O3、Ti、C和CB4粉末为原料，将上述粉末原料混合均匀并充分干燥，制得反应剂；其中，反应剂中各粉末原料之间的摩尔比为：
Al∶Fe2O3∶NiO∶Cr2O3＝2.9∶1∶0.3∶0.3；Ti∶C∶CB4＝4∶1∶1。Al、Fe2O3、NiO和Cr2O3的质量总和在反应剂中所占的质量百分数为50％。
将配制好的反应剂压制成孔隙率为65％的粉末压坯后装入石墨坩埚，并置于加速度为50000m2/s的超重力场中，以电热点火方式诱发反应剂之间发生剧烈燃烧反应；反应完成后，得到的产物自然分离为两层，上层为氧化铝，下层为梯度金属陶瓷复合材料，剥离上层的氧化铝，得到梯度金属陶瓷复合材料。
得到的梯度金属陶瓷复合材料是由FeNiCr/NiAl金属相和TiC/TiB2陶瓷相共同组成，且沿纵向厚度方向，所述的梯度金属陶瓷复合材料中的FeNiCr/NiAl金属相与TiC/TiB2陶瓷相的含量呈连续梯度变化；所述的梯度金属陶瓷复合材料的一侧的表面为FeNiCr/NiAl金属相，其中所述的FeNiCr/NiAl金属相中的FeNiCr形成三维网状编织结构，嵌入在三维网状编织结构中的NiAl晶粒的平均晶粒尺寸为55nm；所述的梯度金属陶瓷复合材料的另一侧的表面为FeNiCr/NiAl/TiC/TiB2金属陶瓷相，且所述另一侧的表面中的TiC/TiB2陶瓷相的体积分数为99％。
Claims (5)
1.一种梯度金属陶瓷复合材料，其特征是，所述的梯度金属陶瓷复合材料是由FeNiCr/NiAl金属相和TiC/TiB2陶瓷相共同组成，且沿纵向厚度方向，所述的梯度金属陶瓷复合材料中的FeNiCr/NiAl金属相与TiC/TiB2陶瓷相的含量呈连续梯度变化，一侧的表面为FeNiCr/NiAl金属相，另一侧的表面为FeNiCr/NiAl/TiC/TiB2金属陶瓷相，且所述另一侧的表面中的TiC/TiB2陶瓷相的体积分数为93％≤体积分数＜100％。
2.根据权利要求1所述的梯度金属陶瓷复合材料，其特征是，所述的FeNiCr/NiAl金属相中的FeNiCr形成三维网状编织结构，嵌入在三维网状编织结构中的NiAl晶粒的平均晶粒尺寸为50～100nm。
3.一种根据权利要求1或2所述的梯度金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征是，所述的制备方法包括以下步骤：
(1)配制反应剂
以Al、Fe2O3、NiO、Cr2O3、Ti、C和CB4的粉末为原料，将上述粉末原料混合均匀并充分干燥，制得反应剂；其中，反应剂中各粉末原料之间的摩尔比为：
Al∶Fe2O3∶NiO∶Cr2O3＝(2.3+2x)∶1∶0.3∶x，x＝0.1～0.3；
Ti∶C∶CB4＝(1+3y)∶1∶y，y＝0.5～1；
Al、Fe2O3、NiO和Cr2O3的质量总和在反应剂中所占的质量百分数为50～80％；
(2)超重力场中燃烧合成
将步骤(1)配制好的反应剂压制成孔隙率为45～65％的粉末压坯后装入石墨坩埚，并置于超重力场中，以电热点火方式诱发反应剂之间发生剧烈燃烧反应；反应完成后，得到的产物自然分离为两层，上层为氧化铝，下层为梯度金属陶瓷复合材料，剥离上层的氧化铝，得到所述的梯度金属陶瓷复合材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：所述的FeNiCr/NiAl金属相中的FeNiCr形成三维网状编织结构，嵌入在三维网状编织结构中的NiAl晶粒的平均晶粒尺寸为50～100nm。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：所述的超重力场是通过高速离心产生，其加速度为10000～50000m2/s。
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