CN114892124A - 具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料，由TiNb合金基体和表面耐磨层组成，表面耐磨层包括外层、中间层和内层，外层由准纳米级(TiNb)C颗粒组成，中间层由微米级(TiNb)C颗粒组成，内层由亚微米级(TiNb)C颗粒组成。本发明还公开了具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料的制备方法，采用固体渗碳工艺在TiNb合金表面原位生成高体积分数的层状多尺度金属碳化物(TiNb)C，形成高密高耐磨硬质强化层，不仅具有金属碳化物耐高温、高硬度、高耐磨等优点，不同尺度的(TiNb)C颗粒还具有改善金属碳化物高脆性的作用，使该耐磨材料不仅表现出超高的耐磨性，同时兼有良好的韧性。

Description

具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属碳化物耐磨强化材料技术领域，涉及一种具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料及其制备方法。
背景技术
随着航空航天工业技术突飞猛进，各种高温高强高耐磨等苛刻应用工况对材料的要求越来越苛刻，需同时具备高强度、高韧性、耐高温、抗疲劳、抗磨损和高比强度等特性。TiNb高温因具有优异的高强度、高韧性、耐高温、抗蠕变等高温性能，但在高温高速运转工况下，其耐磨性严重不足，极大限制了工件的使用寿命。
目前，广泛应用的高耐磨材料主要以表面强化或者表面涂层类材料为主，尤其是超高温耐磨材料领域，主要以陶瓷材料为主。但陶瓷材料自身的高脆性，易发生无先兆性断裂失效，将造成重大运行事故。
因此，在TiNb合金表面制备高韧性陶瓷类表面强化复合材料，即通过制备表面增强的TiNb高温合金基表面强化复合材料，使其同时具备优异的强韧性、耐磨性和耐高温性能，改善高温合金表面性能，拓宽TiNb合金的应用范围，延长其使用极限，这是急需解决的技术难题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料，解决了现有TiNb合金在高温下耐磨性不足、表面陶瓷类耐磨层韧性低，与基体结合力差的问题。
本发明的另一个目的是提供一种具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料的制备方法。
本发明所采用的第一技术方案是，具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料，由TiNb合金基体和表面耐磨层组成，表面耐磨层包括外层、中间层和内层，外层由准纳米级的(TiNb)C颗粒组成，中间层由微米级的(TiNb)C颗粒组成，内层由亚微米级的(TiNb)C颗粒组成。
其中，表面耐磨层的厚度为10～500μm。
外层的厚度为0.1μm～2μm，中间层的厚度为1μm～15μm，内层的厚度为4μm～495μm。
本发明所采用的第二技术方案是，具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分：果壳木炭70～80％，石墨粉1～10％，Na2CO32～5％，BaCO3 10～16％，以上各组分的质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的各组分装入混料机中混合均匀，形成混合粉末；
步骤3，对TiNb合金表面进行研磨、抛光处理；
步骤4，在模具内部底面上平铺一层步骤2所得混合粉末，然后将步骤3抛光处理后的TiNb合金放在混合粉末上，再在TiNb合金上面平铺一层步骤2所得混合粉末，并用混合粉末填充TiNb合金与模具内壁的间隙；
步骤5，将步骤4填充好的模具装入高温炉内，进行950～1250℃高温渗碳处理，即可获得具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料。
果壳木炭的粒径为0.5mm～1mm，石墨粉的粒径为15μm～20μm。
步骤1中，果壳木炭和石墨粉的质量百分比总和不大于84％。
步骤3中，对TiNb合金表面进行研磨、抛光处理，使TiNb合金表面粗糙度Ra不大于6μm。
步骤4中，TiNb合金与模具内壁间的混合粉末厚度不小于2mm。
步骤5中，950～1250℃高温渗碳处理的保温时间为0.5h～24h，高温渗碳处理后随炉冷却至室温。
步骤5中，高温渗碳处理过程中高温炉内压力不小于0.5MPa。
本发明的有益效果是，采用固体渗碳工艺，在TiNb合金表面原位生成高体积分数的层状多尺度金属碳化物(TiNb)C，形成高密高耐磨硬质强化层；表面层状多尺度(TiNb)C耐磨层不仅具有金属碳化物耐高温、高硬度、高耐磨等优点，同时表面耐磨层内多层不同尺度的(TiNb)C颗粒具有改善金属碳化物高脆性的作用，进而使得耐磨层不仅表现出超高的耐磨性，同时兼有良好的韧性；表面耐磨层是在TiNb合金表面原位形成，使TiNb韧性基体与高硬强化层之间具有较高的界面结合强度，保证了该TiNb基层状多尺度(TiNb)C耐磨层同时兼有高韧性、高耐磨性和优异的界面结合强度，改善了TiNb合金的低耐磨性和常规涂层易剥落的问题，可广泛应用于高温高速滑动部件。
附图说明
图1是本发明一种具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料的组织结构示意图；
图2是本发明实施例1制备的具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料横截面的低倍扫描显微组织图；
图3是本发明实施例1制备的具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料横截面的高倍扫描显微组织图。
图中，1.外层，2.中间层，3.内层，4.TiNb合金基体，5.表面耐磨层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料，参照图1，由TiNb合金基体4和表面耐磨层5组成，表面耐磨层5包括外层1、中间层2和内层3，外层1由准纳米级的(TiNb)C颗粒组成，中间层2由微米级的(TiNb)C颗粒组成，内层3由亚微米级的(TiNb)C颗粒组成。表面耐磨层5的厚度为10～500μm，其中，外层1的厚度为0.1μm～2μm，中间层2的厚度为1μm～15μm，内层3的厚度为4μm～495μm。
实施例1
制备一种具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分：果壳木炭70％，石墨粉10％，Na2CO35％，BaCO315％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中果壳木炭的粒径为0.5mm～1mm，石墨粉的粒径为15μm～20μm，Na2CO3的纯度大于99.8％，BaCO3的纯度大于99.0％；
步骤2，将步骤1称取的各组分装入混料机中混合均匀，形成混合粉末；
步骤3，对TiNb合金表面进行研磨、抛光处理，使TiNb合金表面粗糙度Ra为6.0μm；
步骤4，在模具内部底面上平铺一层步骤2所得混合粉末，然后将步骤3抛光处理后的TiNb合金放在混合粉末上，再在TiNb合金上面平铺一层步骤2所得混合粉末，并用混合粉末填充TiNb合金与模具内壁的间隙，TiNb合金与模具内壁间的混合粉末厚度约为2mm；
步骤5，将步骤4中填充好的模具装入高温炉内，将炉体密封，炉温以7℃7mi7的速率升温至1100℃进行高温渗碳处理4h，高温渗碳处理过程中高温炉内压力不小于0.5MPa，然后将炉温以5℃7mi7的速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温，即获得具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料。
对实施例1制备的具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料进行微观组织观测，图2为其横截面的低倍扫描显微组织图，图3为其横截面的高倍扫描显微组织图，从图2和图3中可以看出，采用本发明方法制备的具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料由底部的TiNb合金基体4和表面耐磨层5组成，表面耐磨层5包括外层1、中间层2和内层3，外层1由准纳米级的(TiNb)C颗粒组成，中间层2由微米级的(TiNb)C颗粒组成，内层3由亚微米级的(TiNb)C颗粒组成，表面耐磨层与TiNb合金基体的结合界面具有优异的结合形貌。
经过测量，TiNb合金基体表面层状多尺度(TiNb)C耐磨层的厚度约为65.0μm，外层准纳米级(TiNb)C的层厚为1.0μm，中间层微米级(TiNb)C的层厚为5.0μm，内层亚微米级(TiNb)C的层厚约为59.0μm。TiNb合金基体表面多尺度(TiNb)C耐磨材料的表面硬度为31GPa，其磨损率约为TiNb合金基体的17151。
实施例2
制备一种具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分：果壳木炭80％，石墨粉1％，Na2CO33％，BaCO316％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中果壳木炭的粒径为0.5mm～1mm，石墨粉的粒径为15μm～20μm，Na2CO3的纯度大于99.8％，BaCO3的纯度大于99.0％；
步骤2，将步骤1称取的各组分装入混料机中混料10mi7，形成均匀混合粉末；
步骤3，对TiNb合金表面进行研磨、抛光处理，使TiNb合金表面粗糙度Ra为3.0μm；
步骤4，在模具内部底面上平铺一层步骤2所得混合粉末，然后将步骤3抛光处理后的TiNb合金放在混合粉末上，再在TiNb合金上面平铺一层步骤2所得混合粉末，并用混合粉末填充TiNb合金与模具内壁的间隙，TiNb合金与模具内壁间的混合粉末厚度为3mm；
步骤5，将步骤4填充好的模具装入高温炉内，将炉体密封，炉温以7℃7mi7的速率升温至950℃进行高温渗碳处理24h，高温渗碳处理过程中高温炉内压力不小于0.5MPa，然后将炉温以5℃7mi7的速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温，即获得具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料。
经过测量，TiNb合金基体表面层状多尺度(TiNb)C耐磨层的厚度约为85.0μm，外层准纳米级(TiNb)C的层厚为0.5μm，中间层微米级(TiNb)C的层厚为10μm，内层亚微米级(TiNb)C的层厚约为74.5μm，表面耐磨层与TiNb基体的结合界面具有优异的结合形貌。TiNb合金基体表面多尺度(TiNb)C耐磨材料的表面硬度为32GPa，其磨损率约为TiNb合金基体的17155。
实施例3
制备一种具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分：果壳木炭75％，石墨粉5％，Na2CO34％，BaCO316％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中果壳木炭的粒径为0.5mm，石墨粉的粒径为15μm，Na2CO3的纯度大于99.8％，BaCO3的纯度大于99.0％；
步骤2，将步骤1称取的各组分装入混料机中，混料15mi7，形成均匀混合粉末；
步骤3，对TiNb合金表面进行研磨、抛光处理，使TiNb合金表面粗糙度Ra为2.0μm；
步骤4，在模具内部底面上平铺一层步骤2所得混合粉末，然后将步骤3抛光处理后的TiNb合金放在混合粉末上，再在TiNb合金上面平铺一层步骤2所得混合粉末，并用混合粉末填充TiNb合金与模具内壁的间隙，TiNb合金与模具内壁间的混合粉末厚度为4mm；
步骤5，将步骤4填充好的模具装入高温炉内，将炉体密封，炉温以7℃7mi7的速率升温至1150℃进行高温渗碳处理0.5h，高温渗碳处理过程中高温炉内压力为0.5MPa，然后将炉温以5℃7mi7的速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温，即获得具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料。
经过测量，TiNb合金基体表面层状多尺度(TiNb)C耐磨层的厚度约为10.0μm，外层准纳米级(TiNb)C的层厚为0.5μm，中间层微米级(TiNb)C的层厚为4.0μm，内层亚微米级(TiNb)C的层厚约为5.5μm，表面耐磨层与TiNb基体的结合界面具有优异的结合形貌。TiNb合金基体表面多尺度(TiNb)C耐磨材料的表面硬度为29.5GPa，其磨损率约为TiNb合金基体的17132。
实施例4
制备一种具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分：果壳木炭80％，石墨粉5％，Na2CO35％，BaCO310％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中果壳木炭的粒径为0.8mm，石墨粉的粒径为17μm，Na2CO3的纯度大于99.8％，BaCO3的纯度大于99.0％；
步骤2，将步骤1称取的各组分装入混料机中，混料20mi7，形成均匀混合粉末；
步骤3，对TiNb合金表面进行研磨、抛光处理，使TiNb合金表面粗糙度Ra为2.0μm；
步骤4，在模具内部底面上平铺一层步骤2所得混合粉末，然后将步骤3抛光处理后的TiNb合金放在混合粉末上，再在TiNb合金上面平铺一层步骤2所得混合粉末，并用混合粉末填充TiNb合金与模具内壁的间隙，TiNb合金与模具内壁间的混合粉末厚度为5mm；
步骤5，将步骤4填充好的模具装入高温炉内，将炉体密封，炉温以7℃7mi7的速率升温至1200℃进行高温渗碳处理8h，高温渗碳处理过程中高温炉内压力约为0.5MPa，然后将炉温以5℃7mi7的速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温，即获得具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料。
经过测量，TiNb合金基体表面层状多尺度(TiNb)C耐磨层的厚度约为210.0μm，外层准纳米级(TiNb)C的层厚为1.0μm，中间层微米级(TiNb)C的层厚为10μm，内层亚微米级(TiNb)C的层厚约为199.0μm，表面耐磨层与TiNb基体的结合界面具有优异的结合形貌。TiNb合金基体表面多尺度(TiNb)C耐磨材料的表面硬度为33GPa，其磨损率约为TiNb合金基体的17155。
实施例5
制备一种具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分：果壳木炭75％，石墨粉10％，Na2CO35％，BaCO310％，以上各组分的质量百分比之和为100％；其中果壳木炭的粒径为1mm，石墨粉的粒径为20μm，Na2CO3的纯度大于99.8％，BaCO3的纯度大于99.0％；
步骤2，将步骤1称取的各组分装入混料机中，混料10mi7，形成均匀混合粉末；
步骤3，对TiNb合金表面进行研磨、抛光处理，使TiNb合金表面粗糙度Ra为4.0μm；
步骤4，在模具内部底面上平铺一层步骤2所得混合粉末，然后将步骤3抛光处理后的TiNb合金放在混合粉末上，再在TiNb合金上面平铺一层步骤2所得混合粉末，并用混合粉末填充TiNb合金与模具内壁的间隙，TiNb合金与模具内壁间的混合粉末厚度为8mm；
步骤5，将步骤4填充好的模具装入高温炉内，将炉体密封，炉温以7℃7mi7的速率升温至1250℃进行高温渗碳处理20h，高温渗碳处理过程中高温炉内压力不小于0.5MPa，然后将炉温以5℃7mi7的速率降温至400℃，最后随炉冷却至室温，即获得具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料。
经过测量，TiNb合金基体表面层状多尺度(TiNb)C耐磨层的厚度约为500μm，外层准纳米级(TiNb)C的层厚为1.0μm，中间层微米级(TiNb)C的层厚为10μm，内层亚微米级(TiNb)C的层厚约为489.0μm，表面耐磨层与TiNb基体的结合界面具有优异的结合形貌。TiNb合金基体表面多尺度(TiNb)C耐磨材料的表面硬度为33.5GPa，其磨损率约为TiNb合金基体的17160。

Claims (10)

1.具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料，其特征在于，由TiNb合金基体(4)和表面耐磨层(5)组成，表面耐磨层(5)包括外层(1)、中间层(2)和内层(3)，外层(1)由准纳米级的(TiNb)C颗粒组成，中间层(2)由微米级的(TiNb)C颗粒组成，内层(3)由亚微米级的(TiNb)C颗粒组成。
2.根据权利要求1所述的具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料，其特征在于，所述表面耐磨层(5)的厚度为10～500μm。
3.根据权利要求1所述的具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料，其特征在于，所述外层(1)的厚度为0.1μm～2μm，中间层(2)的厚度为1μm～15μm，内层(3)的厚度为4μm～495μm。
4.具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比分别称取以下组分：果壳木炭70～80％，石墨粉1～10％，Na2CO32～5％，BaCO3 10～16％，以上各组分的质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的各组分装入混料机中混合均匀，形成混合粉末；
步骤3，对TiNb合金表面进行研磨、抛光处理；
步骤4，在模具内部底面上平铺一层步骤2所得混合粉末，然后将步骤3抛光处理后的TiNb合金放在混合粉末上，再在TiNb合金上面平铺一层步骤2所得混合粉末，并用混合粉末填充TiNb合金与模具内壁的间隙；
步骤5，将步骤4填充好的模具装入高温炉内，进行950～1250℃高温渗碳处理，即可获得具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料。
5.根据权利要求4所述的具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述果壳木炭的粒径为0.5mm～1mm，石墨粉的粒径为15μm～20μm。
6.根据权利要求4所述的具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，果壳木炭和石墨粉的质量百分比总和不大于84％。
7.根据权利要求4所述的具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，对TiNb合金表面进行研磨、抛光处理，使TiNb合金表面粗糙度Ra不大于6μm。
8.根据权利要求4所述的具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，TiNb合金与模具内壁间的混合粉末厚度不小于2mm。
9.根据权利要求4所述的具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，950～1250℃高温渗碳处理的保温时间为0.5h～24h，高温渗碳处理后随炉冷却至室温。
10.根据权利要求9所述的具有多尺度表面强化层的高温耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，高温渗碳处理过程中高温炉内压力不小于0.5MPa。
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