陶瓷相彌散強化合金及顆粒增強金屬基複合材料製備方法

2023-09-19 15:31:45

專利名稱：陶瓷相彌散強化合金及顆粒增強金屬基複合材料製備方法
技術領域：
本發明屬於陶瓷相彌散強化合金及其顆粒增強金屬基複合材料的製備工藝領域，特別適用於氧、碳、氮化物陶瓷相(Y2O3、ThO2、Al2O3、WC、TiC、TiN等)彌散強化合金及其顆粒增強金屬基複合材料的原位製備。
隨著現代工業的發展，單純的金屬材料已不能滿足特定工業領域服役構件對材料性能的要求。在金屬材料中引入少量彌散陶瓷相(一般為含量小於4體積％，尺寸為5～100nm的Y2O3或ThO2氧化物陶瓷顆粒)所開發的氧化物彌散強化合金，以及引入大量尺寸較大的陶瓷顆粒(一般為含量大於5體積％，尺寸為1～50μm的陶瓷顆粒)所開發的顆粒增強金屬基複合材料可使材料的室溫強度、高溫強度以及蠕變強度和耐磨性能等大幅度提高，從而使該類材料在航空、冶金、化工、汽車等工業領域具有廣闊的應用前景。
傳統上製備氧化物陶瓷相彌散強化合金是採用機械合金化粉末冶金法。通過合金粉末與一定量細小氧化物陶瓷粉末的機械合金化、裝罐冷壓、除氣後熱(等靜)壓和熱擠壓後而製成。顆粒增強金屬基複合材料的製備，除了類似的粉末冶金工藝外，還有半凝固攪拌澆鑄工藝、共濺射沉積工藝、液態金屬滲透工藝、XD原位生成工藝和液態金屬定向氧化工藝等。半凝固攪拌澆鑄工藝只限於製備基體合金液-固相區溫度範圍比較寬的金屬基複合材料。而其它工藝不是在增強相類型、含量及尺寸上有一定的限制，就是工藝過程比較複雜，使所製備複合材料的成本比較高。該類陶瓷相彌散強化合金和顆粒增強金屬基複合材料最經濟和簡單的製備工藝就是採用傳統的合金冶煉澆鑄方法，同時將增強相陶瓷顆粒在基體合金冶煉後均勻地加入到凝固合金中。但是，液態金屬通常是不浸潤陶瓷顆粒的，這使得陶瓷增強相顆粒很難進入到液態金屬中去。研究表明，要使陶瓷增強相顆粒進入到液態金屬中，液態金屬在陶瓷相表面上的浸潤角必須小於90°。這在正常的合金冶煉澆鑄溫度下是很難實現的。若在陶瓷相顆粒與液態金屬界面引入化學反應便可大幅度地提高液態金屬在陶瓷相顆粒表面的浸潤性。當增強相顆粒尺寸及含量合適，在合金正常的冶煉溫度下，在放熱反應離散力和電磁力的攪拌下便會均勻地進入到液態金屬中去。對於特定尺寸和形狀的構件型坯，澆鑄後便可近終形地得到彌散陶瓷相強化合金或顆粒增強金屬基複合材料的構件。對於陶瓷相彌散強化合金，由於具有一定的熱塑性，可同傳統金屬材料一樣進行後續的熱鍛造或熱擠壓加工變形，從而進一步提高材料的性能。
本發明的目的就是提供一種工藝簡單、經濟、合理，而且不受構件尺寸和形狀限制的陶瓷相彌散強化合金及顆粒增強金屬基複合材料的熔煉製備方法。
為了達到上述目的，本發明陶瓷相彌散強化合金及顆粒增強金屬複合材料製備方法，其特點是於利用機械混合或機械合金化法，在增強相陶瓷粉末表面粘結一層在基體合金冶煉溫度下可發生放熱化學反應的金屬粉末，在球磨機中的機械混合或機械合金化時間不小於2小時，將金屬與陶瓷混合或合金化後的粉末經冷壓變成塊狀，壓力為10-50MPa；所述的陶瓷粉末指氧化物陶瓷(Y2O3、ThO2、Al2O3)，碳化物陶瓷(WC、TiC)，硼化物陶瓷(TiB2)和氮化物陶瓷(TiN)，所述的金屬粉末可為純鎳粉、純鋁粉以及鎳粉和鋁粉原子配比在1∶1-1∶3，可發生放熱反應，並生成金屬間化合物的機械混合或機械合金化金屬粉末，所述的基體合金可為鐵基合金、鎳基合金、鋁合金、鎳-鋁或鈦-鋁金屬間化合物；在基體合金真空感應熔煉的後期，將準備好的冷壓成塊狀的陶瓷／金屬機械混合或機械合金化粉末加入到液態基體合金中，利用陶瓷顆粒表面金屬粉末的放熱反應使液態基體合金在陶瓷粉末表面的浸潤性提高，從而在反應離散力和電磁力的攪拌下使陶瓷粉末均勻地進入到液態基體合金中，澆鑄後可得到陶瓷相彌散強化合金或陶瓷顆粒增強金屬基複合材料。
上面所述的陶瓷粉末的粒度為0．02～40μm。
上面所述的金屬粉末的粒度為0．02-40μm。
上面所述的金屬粉末中的純鎳粉可用金屬鈦粉末替代。
上面所述陶瓷粉末與所述金屬粉末的體積比為1∶3-1∶10。
在上述方法中，對於鎳-鋁或鈦-鋁金屬間化合物為基的顆粒增強複合材料，可直接將機械混合或合金化後冷壓成塊狀的陶瓷粉末與具有一定配比的金屬鎳粉與鋁粉(或鈦粉與鋁粉)的塊狀混合粉末在真空爐中感應重熔澆鑄即可。
在上述方法中，所製備陶瓷相彌散強化合金或顆粒增強複合材料中陶瓷增強相的含量為0．8-25體積％。
本發明設計思想是首先根據設計者對所製備彌散陶瓷相強化合金或顆粒增強金屬基複合材料中對陶瓷強化相類別、尺寸和含量的要求，將一定尺寸的陶瓷粉末按一定體積比與一定配比的金屬鎳粉(或鈦粉)和鋁粉經機械混合或機械合金化，使陶瓷粉末表面粘結一定量的鎳粉和鋁粉(或在陶瓷粉末表面利用其它方法沉積一定配比的鎳(或鈦)和鋁)，將混合或機械合金化後的混合粉末經冷壓變成塊狀，在所製備材料基體合金感應熔煉的後期，將製備好的塊狀混合粉末加入到液態基體合金中。在感應熔煉溫度下，粘結在陶瓷粉末表面的鎳粉(或鈦粉)與鋁粉將發生放熱反應(或)，形成金屬間化合物，同時使陶瓷粉末與液態合金界面的局部溫度大幅度提高。隨後，所生成的金屬間化合物可熔入液態基體合金中，而液態基體合金在陶瓷粉末表面的浸潤性提高，使陶瓷粉末在反應離散力和電磁力的攪拌下均勻地進入到液態金屬中去。另外，也可將一定尺寸的陶瓷粉末與單一的金屬粉末(鎳、鈦、鋁等)合金化，以同樣方法製成塊狀。對鎳基合金，可選用鋁粉；對鋁基合金可選用鎳粉或鈦粉，在所製備鎳基(或鋁基)基體合金感應熔煉的後期加入合金化粉末塊，在陶瓷粉末與液態金屬界面會發生同樣的放熱反應，使液態金屬在陶瓷顆粒表面的浸潤性提高，在反應離散力和電磁力的攪拌下使陶瓷顆粒均勻地進入到液態合金中。待陶瓷顆粒均勻地進入到液態合金中時，迅速澆鑄，待凝固後便可得到陶瓷相彌散強化合金或顆粒增強金屬基複合材料的鑄(坯)件。
對陶瓷相彌散強化合金，彌散陶瓷相顆粒粒度應在0．02-0．1μm範圍內，在合金中的含量可控制在0．2～3體積％；對於顆粒增強複合材料，陶瓷增強相顆粒粒度可在0．1～40μm範圍，在複合材料中的含量可控制在3～25體積％；金屬鎳粉(或鈦粉)與鋁粉機械混合或機械合金化粉末的配比可在3∶1～1∶1(原子比)範圍內。若為鎳基(或鋁基)材料，可選用單一的鋁粉(或鎳粉)，鎳粉(或鈦粉)與鋁粉的粒度可根據陶瓷粉末的粒度確定，可在0．005μm～20μm範圍，陶瓷粉越細，金屬粉末應選取的越細，其尺寸應不大於陶瓷粉末粒度，金屬粉末與陶瓷粉末的配比可根據基體成分，在(體積)配比3∶1～10∶1的範圍內選取。金屬粉末與陶瓷粉末在球磨機中機械混合或機械合金化2小時以上，陶瓷粉末越粗，金屬粉末的量應越高。待陶瓷粉末和金屬粉末機械混合均勻或機械合金化後，在10-50MPa的壓力下將合金化粉末冷壓成有一定強度的塊狀。對於上述陶瓷相(Y2O3、ThO2、Al2O3、WC、TiC、TiB2、TiN)增強的鎳(鈦)-鋁金屬間化合物為基的複合材料，也可直接將按一定配比製備好的塊狀混合或合金化粉末在真空感應爐中重新熔化，然後澆鑄成形便可，所製備的金屬間化合物的增強相體積分數可更高，能達到40％左右。
在真空感應爐中按傳統工藝參數熔煉基體合金，在合金澆鑄前加入壓制的機械混合或機械合金化混合粉末塊體。加入的重量是根據所設計材料中強化(增強)陶瓷相的體積含量、所冶煉基體合金的重量與密度、陶瓷相的比重、在合金化粉末中陶瓷粉末與金屬粉末的體積比、陶瓷粉末的密度、金屬粉末中鎳(或鈦)與鋁的原子比、鎳(或鈦)與鋁粉末的密度等參數確定。其表達式為W=V2WMdcdM(1+1V0dMPd1)]]>式中V2為所設計材料中陶瓷增強相的體積比，WM為所冶煉基體合金的重量，dc為陶瓷相的密度，dM為基體合金的密度V0為合金化粉末中陶瓷粉與金屬粉的體積比，d1為陶瓷粉末密度，dMP為金屬粉末密度，其值可由下式確定dMP=(R+1)dNidAl(RdAl+dNi)]]>式中R為鎳(或鈦)與鋁粉的重量比，可由其原子比和其原子量得到。dAl、dNi為鋁粉和鎳粉的比重。待加入的陶瓷粉進入到液態合金中後，電磁攪拌1-2分鐘後立即澆鑄，便得到陶瓷相彌散強化的合金或顆粒增強複合材料的鑄(坯)件。對陶瓷相彌散強化的合金由於具有一定的熱塑性，可進行後續的鍛造或熱擠壓等熱加工，以改善其性能。
採用本發明與現有粉末冶金等技術工藝相比較，具有工藝簡單、經濟、操作方便，從而使所製備材料的成本大幅度降低。另外，對所澆鑄構件不受形狀尺寸的限制。對彌散陶瓷相強化合金，因增強相比較細小，含量比較低，因而材料仍具有相當於基體合金的熱塑性，可進行熱鍛造或熱擠壓變。
實施例根據本發明的方法，採用不同類別的陶瓷粉和金屬粉末進行了10組試驗，所得到的陶瓷相彌散強化合金與顆粒增強金屬基複合材料中的陶瓷相顆粒可均勻地分布在基體合金中。表1列出了相應的實施例。
表1
權利要求
1．陶瓷相彌散強化合金及顆粒增強金屬基複合材料製備方法，其特徵在於利用機械混合或機械合金化法，在增強相陶瓷粉末表面粘結一層在基體合金冶煉溫度下可發生放熱反應或可與基體合金髮生反應的金屬粉末，在球磨機中的機械混合或機械合金化時間不小於2小時，將金屬與陶瓷混合粉末經冷壓變成塊狀，壓力為10-50MPa；所述的陶瓷粉末指氧化物陶瓷(Y2O3、ThO2、Al2O3)，碳化物陶瓷(WC、TiC)，硼化物陶瓷(TiB2)和氮化物陶瓷(TiN)，所述的金屬粉末可為純鎳粉、純鋁粉以及鎳粉和鋁粉原子配比在1∶1-1∶3，反應後生成金屬間化合物的混合粉末或合金化金屬粉末，所述的基體合金可為鐵基合金、鎳基合金、鋁合金、鎳鋁或鈦鋁金屬間化合物；在基體合金真空感應熔煉的後期，將準備好的冷壓成塊狀的陶瓷／金屬混合粉末或合金化粉末加入到液態基體合金中，利用陶瓷顆粒表面金屬粉末的放熱反應使液態基體合金在陶瓷粉末表面的浸潤性提高，從而在反應離散力和電磁力的攪拌下使陶瓷粉末均勻地進入到液態基體合金中，澆鑄後得到陶瓷相彌散強化合金或陶瓷顆粒增強金屬基複合材料。
2．根據權利要求1所述方法，其特徵在於所述的陶瓷粉末的粒度為0．02～40μm。
3．根據權利要求1所述方法，其特徵在於所述的金屬粉末的粒度為0．02-40μm。
4．根據權利要求1所述方法，其特徵在於所述的金屬粉末中的純鎳粉可用金屬鈦粉末替代。
5．根據權利要求1所述方法，其特徵在於所述陶瓷粉末與所述金屬粉末的體積比為1∶3-1∶10。
6．根據權利要求1所述方法，其特徵在於對於鎳-鋁或鈦-鋁金屬間化合物為基的顆粒增強複合材料，可直接將經機械混合或機械合金化後冷壓成塊狀的陶瓷粉末與具有一定配比的金屬鎳粉與鋁粉(或鈦粉與鋁粉)的塊狀混合粉末在真空爐中感應重熔澆鑄即可。
7．根據權利要求1所述方法，其特徵在於所製備陶瓷相彌散強化合金或顆粒增強複合材料中陶瓷增強相的含量為0．8-25體積％。
全文摘要
本實用新型屬於陶瓷彌散相強化金屬和金屬基複合材料製備領域。它利用機械合金化法,在增強相陶瓷顆粒表面粘結一層在基體合金冶煉溫度下可發生放熱化學反應的金屬粉末。將陶瓷和金屬混合粉末冷壓成塊狀。在基體合金冶煉的後期,將塊狀混合粉末加入到液態合金中,待陶瓷顆粒均勻進入到液態合金中後,立即澆鑄,便可得到陶瓷相彌散強化合金或陶瓷顆粒增強金屬基複合材料。該方法大大降低了該類材料的製備成本,對複雜構件可近終形成形。
文檔編號C22B1/10GK1281053SQ0012111
公開日2001年1月24日 申請日期2000年7月27日 優先權日2000年7月27日
發明者馮滌, 韓光煒, 柳光祖, 駱合力, 趙明漢 申請人:鋼鐵研究總院