CN114433837A - 一种异质相界面强化方法及产品 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种异质相界面强化方法及产品，属于金属陶瓷复合材料领域。该方法包括：将铁合金粉末、碳化钛陶瓷粉末和碳化钨陶瓷粉末混合获得原始粉末；对待加工工件表面进行加热，并将待加工工件表面温度维持在500℃～600℃之间，利用原始粉末对待加工工件表面进行激光增材制造，从而在陶瓷和金属基体之间形成钨元素固溶界面，以此实现异质相界面强化。本发明将碳化钨引入到碳化钛增强铁基材料体系中，利用碳化钨易固溶于碳化钛且易与铁合金发生反应的特点，能够增强碳化钛陶瓷与铁基体的界面结合，同时通过将待加工工件加热以减小熔池的冷却速度并避免基体组织的粗化，从而在快速凝固条件下形成陶瓷和金属件的固溶界面。

Description

一种异质相界面强化方法及产品
技术领域
本发明属于金属陶瓷复合材料领域，更具体地，涉及一种异质相界面强化方法及产品。
背景技术
铁基陶瓷复合材料，因其具有硬度高、原材料价格低等优势，常用于制造耐磨零部件。在静摩擦或平面摩擦的工况下，由于铁基陶瓷复合材料的磨损载荷波动较小，并且接触面的受力均匀，使得其耐磨性往往是原金属材料的数十倍。
然而，面对复杂的磨损工况，如三体磨损、冲击磨损等，铁基陶瓷复合材料中的颗粒容易在磨损失效前从基体中直接脱落，进而极大地削弱了铁基陶瓷复合材料的耐磨性，加速了零件的失效。通常，上述情况的发生往往与相对薄弱的陶瓷/金属界面有关，在复杂的受力环境中，薄弱的陶瓷/金属界面容易先开裂失效，摆脱界面约束的陶瓷颗粒在磨损中就会造成直接脱落。显然，通过强化原陶瓷/金属界面就可以有效地避免复合材料在复杂磨损工况下磨损性能的衰减。
现有技术中通常采用碳化钛进行界面强化，因碳化钛在铁液中有较好的润湿性，并且与铁能够直接形成半共格界面。但是，强化界面的形成通常需要足够的反应时间，而激光增材制造工艺中液态熔池的存在时间往往不足1s，会导致陶瓷的反应时间不足，无法充分地与金属形成强界面。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种异质相界面强化方法及产品，旨在解决现有的铁基陶瓷复合材料中强化界面的形成时间较长，无法应用于激光增材制造技术的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种异质相界面强化方法，该方法包括如下步骤：
S1将铁合金粉末、碳化钛陶瓷粉末和碳化钨陶瓷粉末混合获得原始粉末；
S2对待加工工件表面进行加热；
S3将待加工工件表面温度维持在500℃～600℃之间，利用所述原始粉末对待加工工件表面进行激光增材制造，从而在陶瓷和金属基体之间形成钨元素固溶界面，以此实现异质相界面强化。
作为进一步优选的，步骤S1中，所述铁合金粉末的粒径为45μm～105μm，所述碳化钛陶瓷粉末的粒径为50μm～100μm，所述碳化钨陶瓷粉末的粒径为10μm～100μm。
作为进一步优选的，步骤S1中，所述铁合金粉末为低碳钢或中碳钢。
作为进一步优选的，步骤S1中，所述原始粉末中铁合金粉末的体积分数为20％～90％，并且所述原始粉末中碳化钨陶瓷粉末与碳化钛陶瓷粉末的体积比为1:1～1:19。
作为进一步优选的，步骤S1中，将所述原始粉末在150℃～180℃下干燥1h～3h。
作为进一步优选的，步骤S2中，采用电磁感应加热的方式对待加工工件表面进行加热。
作为进一步优选的，步骤S3中，激光增材制造中激光功率密度为180W/mm2～220W/mm2，光斑扫描速度为0.1m/min～1.0m/min。
按照本发明的另一方面，提供了上述方法制得的异质相界面强化的铁基陶瓷复合材料。
作为进一步优选的，所述异质相界面强化的铁基陶瓷复合材料中异质相界面的厚度为0.2μm～1μm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明将碳化钨引入到碳化钛增强铁基材料体系中，利用碳化钨易固溶于碳化钛且易与铁合金发生反应的特点，能够增强碳化钛陶瓷与铁基体的界面结合，同时通过将待加工工件加热至500℃～600℃之间，能够减小熔池的冷却速度并避免基体组织的粗化，从而在快速凝固条件下形成陶瓷和金属件的固溶界面，对服役于复杂磨损工况的铁基陶瓷复合材料的磨损性提高有重要的促进作用，并且该固溶界面为富钨界面，可以减小碳化钛与铁基体间的晶格错配度，进一步优化了碳化钛和铁基体的冶金界面；
2.尤其是，本发明通过对铁合金粉末、碳化钛陶瓷粉末、碳化钨陶瓷粉末的粒径以及混合比例进行优化，能够匹配适当厚度的固溶界面产生；
3.此外，本发明还对激光增材制造中的工艺参数进行优化，能够匹配不同陶瓷含量的铁基陶瓷复合材料的成形。
附图说明
图1是本发明实施例提供的异质相界面强化的流程示意图；
图2是本发明实施例1制得的异质相界面强化的铁基陶瓷复合材料的微观组织表征图，其中(a)为材料低倍组织形貌，(b)为(a)中的部分放大图；
图3是现有技术中激光增材制造工艺制备的原始陶瓷金属界面的微观组织表征图；
图4是本发明对比例1制得的未强化铁基陶瓷复合材料的微观组织表征图，其中(a)为扫描电镜照片，(b)为透射电镜照片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种异质相界面强化方法，该方法包括如下步骤：
S1将铁合金粉末、粗颗粒的碳化钛陶瓷粉末和细颗粒的碳化钨陶瓷粉末混合获得原始粉末，并通过干燥箱将原始粉末在150℃～180℃下干燥1h～3h，其中该铁合金粉末为低碳钢或中碳钢，并允许其他常规铁合金强化元素如Cr、Ni、Mo等元素的存在；
S2采用电磁感应加热的方式对待加工工件表面进行持续加热直至激光加工结束，同时采用红外温度传感器测量待加工工件表面和热影响区的温度，从而实现对加热设备的反馈调节；
S3将待加工工件表面温度维持在500℃～600℃之间，利用原始粉末对待加工工件表面进行激光增材制造，熔化的碳化钨固溶至碳化钛陶瓷表面，形成固溶界面并连接着铁基体，以此实现异质相界面强化。
本发明在激光增材制造铁基陶瓷复合材料的过程中，利用碳化钨容易固溶于碳化钛且容易与铁合金发生反应的特点，通过添加适量的碳化钨使其在铁溶液中迅速溶解并快速固溶到碳化钛颗粒表层，以利用碳化钨在碳化钛表面固溶的行为提高了碳化钛在铁溶液中的润湿度，增强了碳化钛陶瓷与铁基体的界面结合，实现了在激光增材制造技术的快速凝固条件下，对碳化钛陶瓷与铁基体的冶金界面进行强化。同时，陶瓷金属界面中固溶的碳化钨可以有效地减小碳化钛与铁基体件的的晶格错配度，从而减小由于晶格错配产生的畸变应力，并且由于碳化钨的大量固溶，能够局部形成TiC、WC，从而具有更高的断裂韧性，相对于原界面而言，固溶界面抵抗断裂的能力更强。尤其是，本发明考虑到固溶界面在快速凝固条件下容易积累大量内应力，致使界面的连续性被破坏、力学性能受损，提出将待加工工件表面温度保持在500℃以上，以减小熔池的冷却速度，避免固溶界面产生微裂纹进而削弱增强效果，同时保证待加工工件表面温度不超过600℃，以避免基体组织粗化使得该铁基陶瓷复合材料的力学性能降低。
进一步，步骤S1中，铁合金粉末的粒径为45μm～105μm，碳化钛陶瓷粉末的粒径为50μm～100μm，碳化钨陶瓷粉末的粒径为10μm～100μm，粗颗粒的碳化钛陶瓷粉末在熔池内有限溶解并析出，能够形成梯度增强，而细颗粒的碳化钨陶瓷粉末有利于碳化钨完全分解，避免碳化钨颗粒的反应层开裂；同时原始粉末中铁合金粉末的体积分数为20％～90％，并且原始粉末中碳化钨陶瓷粉末与碳化钛陶瓷粉末的体积比为1:1～1:19，从而避免出现局部无法形成固溶界面的问题，同时减少铁基陶瓷复合材料开裂的风险。
进一步，步骤S3中，激光增材制造中激光功率密度为180W/mm2～220W/mm2，光斑扫描速度为0.1m/min～1.0m/min。通过对激光增材制造中的工艺参数进行优化，能够匹配不同陶瓷含量的铁基陶瓷复合材料的成形。
按照本发明的另一方面，提供了上述方法制得的异质相界面强化的铁基陶瓷复合材料，其中异质相界面的厚度为0.2μm～1μm，该复合材料对服役于复杂磨损工况的铁基陶瓷复合材料的磨损性提高有重要的促进作用。
下面根据具体实施例对本发明提供的技术方案作进一步说明。
实施例1
S1将粒径为45μm～105μm的铁合金粉末(低碳钢，碳含量为0.1％)、粒径为50μm～100μm的碳化钛陶瓷粉末和粒径为10μm～50μm的碳化钨陶瓷粉末按体积比为4:4.5:1.5的比例机械混合均匀获得原始粉末，并通过干燥箱将原始粉末在180℃下干燥2h；
S2基板采用低碳钢并且表面用砂纸打磨平整，使用丙酮清洁后烘干，然后采用电磁感应加热的方式对基板进行持续加热使其温度维持在510℃，并在后续加工过程中持续对热影响区进行加热，实现保温效果，同时采用红外温度传感器测量待加工工件表面和热影响区的温度，从而实现对加热设备的反馈调节；
S3利用原始粉末进行同步送粉式激光增材制造，对待加工工件表面进行激光增材制造，激光功率密度为200W/mm2，光斑扫描速度为0.2m/min，熔化的碳化钨固溶至碳化钛陶瓷表面，形成固溶界面并连接着铁基体，以此实现异质相界面强化。
对制备得到的异质相界面强化的铁基陶瓷复合材料进行微观组织表征，结果如图2所示，表明原始的碳化钨陶瓷全部被消耗，只保留原始碳化钛陶瓷，与图3所示的原始陶瓷金属界面相比，优化后的界面出现厚度不大于1μm的高亮层，表明其固溶了碳化钨。此外，固溶界面层均匀且全面地包裹原陶瓷颗粒，未出现局部中断或开裂现象。
实施例2
S1将粒径为45μm～105μm的铁合金粉末(低碳钢，碳含量为0.1％)、粒径为50μm～100μm的碳化钛陶瓷粉末和粒径为10μm～20μm的碳化钨陶瓷粉末按体积比为2:7.6:0.4的比例机械混合均匀获得原始粉末，并通过干燥箱将原始粉末在170℃下干燥1h；
S2基板采用低碳钢并且表面用砂纸打磨平整，使用丙酮清洁后烘干，然后采用电磁感应加热的方式对基板进行持续加热使其温度维持在600℃，并在后续加工过程中持续对热影响区进行加热，实现保温效果，同时采用红外温度传感器测量待加工工件表面和热影响区的温度，从而实现对加热设备的反馈调节；
S3利用原始粉末进行同步送粉式激光增材制造，对待加工工件表面进行激光增材制造，激光功率密度为220W/mm2，光斑扫描速度为0.1m/min，熔化的碳化钨固溶至碳化钛陶瓷表面，形成固溶界面并连接着铁基体，以此实现异质相界面强化。
实施例3
S1将粒径为45μm～105μm的铁合金粉末(中碳钢，碳含量为0.3％)、粒径为50μm～100μm的碳化钛陶瓷粉末和粒径为10μm～100μm的碳化钨陶瓷粉末按体积比为9:0.5:0.5的比例机械混合均匀获得原始粉末，并通过干燥箱将原始粉末在160℃下干燥3h；
S2基板采用低碳钢并且表面用砂纸打磨平整，使用丙酮清洁后烘干，然后采用电磁感应加热的方式对基板进行持续加热使其温度维持在500℃，并在后续加工过程中持续对热影响区进行加热，实现保温效果，同时采用红外温度传感器测量待加工工件表面和热影响区的温度，从而实现对加热设备的反馈调节；
S3利用原始粉末进行同步送粉式激光增材制造，对待加工工件表面进行激光增材制造，激光功率密度为180W/mm2，光斑扫描速度为0.5m/min，熔化的碳化钨固溶至碳化钛陶瓷表面，形成固溶界面并连接着铁基体，以此实现异质相界面强化。
实施例4
S1将粒径为45μm～105μm的铁合金粉末(低碳钢，碳含量为0.1％)、粒径为50μm～100μm的碳化钛陶瓷粉末和粒径为10μm～20μm的碳化钨陶瓷粉末按体积比为7:2:1的比例机械混合均匀获得原始粉末，并通过干燥箱将原始粉末在150℃下干燥2h；
S2基板采用低碳钢并且表面用砂纸打磨平整，使用丙酮清洁后烘干，然后采用电磁感应加热的方式对基板进行持续加热使其温度维持在580℃，并在后续加工过程中持续对热影响区进行加热，实现保温效果，同时采用红外温度传感器测量待加工工件表面和热影响区的温度，从而实现对加热设备的反馈调节；
S3利用原始粉末进行同步送粉式激光增材制造，对待加工工件表面进行激光增材制造，激光功率密度为210W/mm2，光斑扫描速度为1.0m/min，熔化的碳化钨固溶至碳化钛陶瓷表面，形成固溶界面并连接着铁基体，以此实现异质相界面强化。
对比例1
S1将粒径为45μm～105μm的铁合金粉末(低碳钢，碳含量为0.1％)、粒径为50μm～100μm的碳化钛陶瓷粉末和粒径为10μm～50μm的碳化钨陶瓷粉末按体积比为4:3.5:2.5的比例机械混合均匀获得原始粉末，并通过干燥箱将原始粉末在170℃下干燥2h；
S2基板采用低碳钢并且表面用砂纸打磨平整，使用丙酮清洁后烘干；
S3利用原始粉末进行同步送粉式激光增材制造，对待加工工件表面进行激光增材制造，激光功率密度为220W/mm2，光斑扫描速度为0.2m/min，以此制得未强化铁基陶瓷复合材料。
图4是对比例1制得的未强化铁基陶瓷复合材料的微观组织表征，由于没有对基板进行加热和保温，对比例1中的熔池冷却速度大于实施例1中的熔池冷却速度，故与图2相比该未强化陶瓷复合材料虽然固溶界面依旧形成，但局部区域出现少量的裂纹，通过TEM得到的固溶界面高倍形貌中可以看到，未断裂的界面存在大量位错，说明过快的凝固速度会导致固溶界面的应力集中，从而破坏界面的连续性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种异质相界面强化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1将铁合金粉末、碳化钛陶瓷粉末和碳化钨陶瓷粉末混合获得原始粉末；
S2对待加工工件表面进行加热；
S3将待加工工件表面温度维持在500℃～600℃之间，利用所述原始粉末对待加工工件表面进行激光增材制造，从而在陶瓷和金属基体之间形成钨元素固溶界面，以此实现异质相界面强化。
2.如权利要求1所述的异质相界面强化方法，其特征在于，步骤S1中，所述铁合金粉末的粒径为45μm～105μm，所述碳化钛陶瓷粉末的粒径为50μm～100μm，所述碳化钨陶瓷粉末的粒径为10μm～100μm。
3.如权利要求1所述的异质相界面强化方法，其特征在于，步骤S1中，所述铁合金粉末为低碳钢或中碳钢。
4.如权利要求1所述的异质相界面强化方法，其特征在于，步骤S1中，所述原始粉末中铁合金粉末的体积分数为20％～90％，并且所述原始粉末中碳化钨陶瓷粉末与碳化钛陶瓷粉末的体积比为1:1～1:19。
5.如权利要求1所述的异质相界面强化方法，其特征在于，步骤S1中，将所述原始粉末在150℃～180℃下干燥1h～3h。
6.如权利要求1所述的异质相界面强化方法，其特征在于，步骤S2中，采用电磁感应加热的方式对待加工工件表面进行加热。
7.如权利要求1所述的异质相界面强化方法，其特征在于，步骤S3中，激光增材制造中激光功率密度为180W/mm2～220W/mm2，光斑扫描速度为0.1m/min～1.0m/min。
8.采用如权利要求1～7任一项所述的制备方法获得的异质相界面强化的铁基陶瓷复合材料。
9.如权利要求8所述的异质相界面强化的铁基陶瓷复合材料，其特征在于，所述异质相界面强化的铁基陶瓷复合材料中异质相界面的厚度为0.2μm～1μm。
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