CN107142397A - 一种耐高温磨损的镍铝‑碳化钨复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种耐高温磨损镍铝‑碳化钨复合材料及其制备方法，所述的复合材料的原材料包括Ni粉、Al粉、WC粉；所述Ni粉、Al粉的摩尔比为1:1；WC粉的质量占Ni‑Al‑WC混合粉末总质量的5～40wt%。所述Ni粉：颗粒尺寸为100～300目，纯度95%～99.5%；Al粉：颗粒大小为100～300目，纯度95%～99.5%，WC粉：颗粒大小为100‑300目，纯度95%～99.5%。本发明耐高温磨损镍铝‑碳化钨复合材料的制备方法不需要进行高温烧结，得到的复合材料结构均匀，无孔洞，稳定性高。

Description

一种耐高温磨损的镍铝-碳化钨复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于材料科学技术领域，主要涉及一种采用热爆合成辅助加压工艺制备镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合材料的制备方法。
背景技术
镍铝（NiAl）金属间化合物的高温综合性能优良，具有较高的熔点和较低的密度，可以用在材料高温性能要求较高的航空航天，电力锅炉领域广泛使用。但是NiAl金属间化合物的高温耐磨性较差，不能适应高温大载荷接触摩擦条件下的使用。
目前国内对镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合材料的应用主要集中在硬质合金方面，通过热爆合成或者高温烧结制备。这些技术的研究以及应用，充分挖掘了镍铝碳化钨复合材料的潜力，带来了显著的经济效益。专利号为201210564724.X的中国专利公开了采用NiAl作粘结相，WC和TiC作为硬质相，并采用10～40wt%的Co粉和Fe粉粘结。制备包括：按Ni-50at.%Al的成分比例,把0.03～21.04wt%镍粉和铝粉,与碳化物粉末混合均匀；置于石墨容器中铺平,非氧化性气氛下,升温加热至660～1300℃,保温,然后自然冷却,获得碳化物与NiAl的混合物；碾磨、破碎、过筛,获得混合粉末；400±50℃的氢气氛下脱氧预处理；将45.77-96.34wt%的混合粉末,与余量的Co和/Fe粉末湿磨；湿磨混合料喷雾干燥、压制；压坯1350～1550℃低压液相烧结获得抗高温磨损硬质合金。制备的Co和Fe粘结的镍铝-碳化钨（NiAl/WC）硬质合金组织结构均匀、合金粘结相显微硬度高，合金抗高温磨损性能优异。专利号为201310147055.0的中国专利以Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金及制备方法,以WC-Al4W预合金粉作为前驱体,由碳化钨粉、镍粉、所述WC-Al4W预合金粉和炭黑经烧结形成以Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金,其粘结相为单一NiAl粘结相,或单一Ni3Al粘结相,或NiAl-Ni3Al联合粘结相,或Ni3Al-Ni联合粘结相。以Ni-Al金属间化合物为粘结相的硬质合金粘结相分布均匀、致密度高、合金强度高,粘结相中无氧化铝残留,避免了由于氧化铝存在而产生的脆性断裂源,提高了合金的使用性能。
另外申请公开号为CN 101613817A的中国专利“一种镍铝基复合材料作为高温自润滑耐磨材料的应用”发明了一种镍铝基复合材料作为高温自润滑耐磨材料，这种材料复合了Al2O3和TiC，复合材料的700-900℃的摩擦系数和磨损率低于Ni基合金，从而显著的提高了NiAl基复合材料的高温摩擦磨损性能。
综合以上文献，目前制备方法主要通过金属间化合物预合金法和烧结反应法，通过往NiAl中添加各种陶瓷硬质相，制备出NiAl/陶瓷复合材料，在NiAl金属间化合物中加入高硬度的陶瓷颗粒，来提高材料的硬度和耐磨性，提高高温条件下抗氧化腐蚀和耐高温摩擦磨损性能。
但烧结反应法需要原料进行化合反应，严重影响合金的收缩致密，会在复合材料中产生孔洞；
而金属间化合物预合金法是先制备NiAl金属间化合物预合金粉，制备金属间化合物预合金粉时会形成团粒结构，导致粘结相分布的均匀性较差，成分稳定性低，并且该法需要经过两次烧结，步骤复杂，材料制备时间较长，耗能高。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明提供一种镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合材料的制备方法，不需要进行高温烧结，通过混合粉末的热爆反应，一次性制备出成分稳定的复合材料。实现以下发明目的：
1、制备的镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合材料致密度95%以上，同时，WC的质量分数最高可达40%。
2、制备的镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合具有优异的高温耐磨性。
3、该制备方法制备的镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合材料工艺简单，降低了能量消耗。
为解决现有的技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种耐高温磨损镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合材料包括以下原材料：
Ni粉、Al粉、WC粉；所述Ni粉、Al粉的摩尔比为1:1；WC粉的质量占Ni-Al-WC混合粉末总质量的5～40wt%；
Ni粉：颗粒尺寸为100～300目，纯度95%～99.5%；Al粉：颗粒大小为100～300目，纯度95%～99.5%，WC粉：颗粒大小为100-200目，纯度95%～99.5%。
一种耐高温磨损镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合材料的制备方法，其特征是包括以下实施步骤：
(1) 配料
本工艺中使用的原材料中的规格如下：Ni颗粒尺寸为100～300目，纯度95%～99.5%；Al粉颗粒大小为100～300目，纯度95%～99.5%，WC颗粒大小为100-200目，纯度95%～99.5%。
按照摩尔比1:1的比例混合Ni粉Al粉，然后将Ni-Al混合粉末与WC陶瓷粉末进行配比，其中WC在Ni-Al-WC混合粉末中的质量百分比在5-40wt%，将混合好的粉末在行星球磨机球磨2小时，得到均匀混合的粉末。
压坯
将步骤（1）中按比例混合好的Ni-Al-WC混合粉末施加200MPa～400MPa的压力压制成坯，压坯密度在75%以上。
热爆合成辅助加压
将压坯放入预热到温度700-1000℃的电阻加热炉中加热并且同时施加20-40MPa的压力，压力优选为30-40MPa；进一步优选为30 MPa；
引发热爆合成反应，反应完毕后，取出样品直至室温冷却。
附图说明
图1 实施例1、2、3、4的NiAl/WC复合材料的XRD图；
图2 NiAl/WC复合材料的SEM图
其中，（a）是实施例4的SEM图；（b）是实施例2的SEM图；（c）是实施例1的SEM图；（d）是碳化钨的EDS图谱；
图3 实施例1、2、4的NiAl/WC复合材料的800℃高温摩擦系数图；
由于采用了上述技术方案，本发明达到的技术效果是：
（1）本发明制备的镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合材料微观形貌均匀、致密度可达95%以上，稳定性非常好；
（2）本发明制备的镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合材料显微硬度为450-570 HV；
（3）本发明制备的镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合材料耐高温磨损率（800℃）为5.47×10-5-8.47×10-5 mm3(N m)-1。
本发明制备的镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合材料复合材料的成分主要为NiAl以及WC硬质相，整个过程利用原材料之间的热爆反应，不需要高温烧结，形成的复合材料两相分布均匀，制备的复合材料的致密度高，显微硬度高，同时具有良好的抗高温摩擦磨损性能。
具体实施方式
实施例1一种耐高温磨损的镍铝-碳化钨复合材料的制备方法
(1) 配料
本工艺中使用的原材料中的规格如下：
Ni粉：颗粒大小为200目，纯度99.0%；
Al粉：颗粒大小为200目，纯度99.5%；
WC粉：颗粒大小为200目，纯度99.5%。
按照摩尔比1:1的比例混合Ni粉和Al粉，然后将Ni-Al混合粉末与WC粉进行混合，将混合好的粉末在行星球磨机球磨2小时，球磨的速度300r/min，得到均匀混合的Ni-Al-WC混合粉末；
其中WC粉在Ni-Al-WC混合粉末中占的质量百分比为5%。
压坯
将步骤（1）中混合好的Ni-Al-WC混合粉末施加200MPa的压力压制成坯；压坯用内径为40mm的模具，压制成尺寸规格为直径40mm×30mm的圆柱形坯，压坯密度在75%。
热爆合成辅助加压
将电阻加热炉预热到700℃，将步骤（2）压制的坯放入700℃的电阻加热炉中加热，同时施加30MPa的压力，引发热爆合成反应，反应完毕后，取出样品直至冷却至室温，得到镍铝-碳化钨复合材料。
实施例2一种耐高温磨损的镍铝-碳化钨复合材料的制备方法
(1) 配料
本工艺中使用的原材料中的规格如下：
Ni粉：颗粒大小为200目，纯度99.0%；
Al粉：颗粒大小为200目，纯度99.5%；
WC粉：颗粒大小为100目，纯度99.5%。
按照摩尔比1:1的比例混合Ni粉和Al粉，然后将Ni-Al混合粉末与WC粉进行混合，将混合好的粉末在行星球磨机球磨2小时，球磨的速度300r/min，得到均匀混合的Ni-Al-WC混合粉末；
其中WC粉在Ni-Al-WC混合粉末中占的质量百分比为30%。
压坯
将步骤（1）中混合好的Ni-Al-WC混合粉末施加200MPa的压力压制成坯；压坯用内径为40mm的模具，压制成尺寸规格为直径40mm×30mm的圆柱形坯，致密度在75%。
热爆合成辅助加压
将电阻加热炉预热到700℃，将步骤（2）压制的坯放入700℃的电阻加热炉中加热，同时施加40MPa的压力，引发热爆合成反应，反应完毕后，取出样品直至冷却至室温，得到镍铝-碳化钨复合材料。
实施例3一种耐高温磨损的镍铝-碳化钨复合材料的制备方法
(1) 配料
本工艺中使用的原材料中的规格如下：
Ni粉：颗粒大小为100目，纯度95%；
Al粉：颗粒大小为100目，纯度95%；
WC粉：颗粒大小为100目，纯度95%。
按照摩尔比1:1的比例混合Ni粉和Al粉，然后将Ni-Al混合粉末与WC粉进行混合，将混合好的粉末在行星球磨机球磨2小时，球磨的速度300r/min，得到均匀混合的Ni-Al-WC混合粉末；
其中WC粉在Ni-Al-WC混合粉末中占的质量百分比为10%。
压坯
将步骤（1）中混合好的Ni-Al-WC混合粉末施加350MPa的压力压制成坯；压坯用内径为40mm的模具，压制成尺寸规格为直径40mm×30mm的圆柱形坯，致密度在82%。
热爆合成辅助加压
将电阻加热炉预热到750℃，将步骤（2）压制的坯放入750℃的电阻加热炉中加热，同时施加30MPa的压力，引发热爆合成反应，反应完毕后，取出样品直至冷却至室温，得到镍铝-碳化钨复合材料。
实施例4一种耐高温磨损的镍铝-碳化钨复合材料的制备方法
(1) 配料
本工艺中使用的原材料中的规格如下：
Ni粉：颗粒大小为250目，纯度99.5%；
Al粉：颗粒大小为250目，纯度99.5%；
WC粉：颗粒大小为200目，纯度99.5%。
按照摩尔比1:1的比例混合Ni粉和Al粉，然后将Ni-Al混合粉末与WC粉进行混合，将混合好的粉末在行星球磨机球磨2小时，球磨的速度300r/min，得到均匀混合的Ni-Al-WC混合粉末；
其中WC粉在Ni-Al-WC混合粉末中占的质量百分比为20%。
压坯
将步骤（1）中混合好的Ni-Al-WC混合粉末施加400MPa的压力压制成坯；压坯用内径为40mm的模具，尺寸规格为直径40mm×30mm的圆柱形坯，致密度在86%。
热爆合成辅助加压
将电阻加热炉预热到800℃，将步骤（2）压制的坯放入800℃的电阻加热炉中加热，同时施加40MPa的压力，引发热爆合成反应，反应完毕后，取出样品直至冷却至室温，得到镍铝-碳化钨复合材料。
对实施例1-4获得的复合材料进行打磨抛光后，进行相关的微观形貌观察、成分分析，显微硬度测试以及高温摩擦磨损性能测试。
经试验，实施例1-4制备的镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合材料的技术指标见表1；
表1 镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合材料的技术指标
由上表可见，本发明制备的镍铝-碳化钨（NiAl/WC）复合材料微观形貌均匀、无孔洞，致密度达95-97%，显微硬度为450-570 HV，耐高温磨损率（800℃）为5.47×10-5-8.47×10-5 mm3(N m)-1，其中实施例2为优选实施例。
结果表明，获得的复合材料的成分主要为NiAl以及WC硬质相，两相分布均匀，制备的复合材料的致密度高，显微硬度高，同时具有良好的抗高温摩擦磨损性能。
除非特殊说明和本领域常用单位，本发明所述比例，均为质量比例，所述百分比，均为质量百分比。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种耐高温磨损镍铝-碳化钨复合材料，其特征在于：所述的复合材料的原材料包括Ni粉、Al粉、WC粉；
所述Ni粉、Al粉的摩尔比为1:1；WC粉的质量占Ni-Al-WC混合粉末总质量的5～40wt%。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温磨损镍铝-碳化钨复合材料，其特征在于：所述Ni粉：颗粒尺寸为100～300目，纯度95%～99.5%；Al粉：颗粒大小为100～300目，纯度95%～99.5%，WC粉：颗粒大小为100-300目，纯度95%～99.5%。
3.一种耐高温磨损的镍铝-碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括：热爆合成辅助加压步骤；所述的热爆合成辅助加压：将压坯放入预热好的电阻加热炉中加热，同时施加压力，引发热爆合成反应，反应完毕后，取出样品冷却至室温。
4.根据权利要求3所述的一种耐高温磨损的镍铝-碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于：所述预热：预热温度到700℃～1000℃。
5.根据权利要求3所述的一种耐高温磨损的镍铝-碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于：所述施加压力：压力为20～40MPa。
6.根据权利要求3所述的一种耐高温磨损的镍铝-碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法还包括配料步骤；
所述的配料：
按照摩尔比1:1的比例混合Ni粉和Al粉，然后将Ni-Al混合粉末与WC粉进行配比，其中WC在Ni-Al-WC混合粉末中的质量百分比在5～40wt%，将混合好的粉末在行星球磨机球磨2小时，得到均匀的Ni-Al-WC混合粉末。
7.根据权利要求3所述的一种耐高温磨损的镍铝-碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法还包括压坯步骤；
所述的压坯：向Ni-Al-WC混合粉末施加200MPa～400MPa的压力压制成坯。
8.根据权利要求7所述的一种耐高温磨损的镍铝-碳化钨复合材料的制备方法，其特征在于：所述的压坯：压制成尺寸规格为直径40mm×30mm的圆坯，压坯密度在75%以上。
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