[發明專利]TiB2－TiC陶瓷顆粒梯度增強鋼基復合材料的制備方法

無效

• 申請號: 200710056356.7
• 申請日: 2007-11-27
• 公開（公告）號: CN101181741A
• 公開（公告）日: 2008-05-21
• 發明（設計）人: 姜啟川;王慧遠;王鵬建;張偉娜;張荔
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B22D19/02
• 分類號: B22D19/02;B22D19/08;B22D27/18
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司
• 代理人: 朱世林

技術領域

本發明涉及金屬基復合材料的制備方法，特別是涉及原位陶瓷顆粒梯度增強的鋼基復合材料的制備方法。

背景技術

陶瓷顆粒增強金屬基復合材料具有性能各向同性、制備工藝簡單、成本低廉、易于澆注成形等優點，已成為復合材料領域的研究熱點之一。然而，無論是外加還是原位顆粒增強金屬基復合材料，多為整體強化。但在很多場合下，并不要求材料整體都進行顆粒增強。如挖掘機鏟齒僅需齒尖增強，齒褲部分則需具有好的強韌性，以防使用過程中早期斷裂而失效。同樣，破碎機錘頭僅在錘頭打擊部位需要增強，保持高的硬度，而錘身則需要一定的韌性，避免錘身斷裂失效。此外，整體強化復合材料成本高，在一定程度上限制了其應用范圍，因此，急需開發新型梯度增強金屬基復合材料。

目前，梯度或局部增強金屬基復合材料的制備方法主要有兩種：外加法和原位反應法。外加法是將已經形成的陶瓷顆粒通過添加粘結劑，混合均勻后壓制成預制塊，然后進一步制備成復合材料。如專利95113785.9中將WC、Al₂O₃或SiC等陶瓷與粘結相混勻后制成所需形狀的預制塊，貼于需強化鑄件的鑄型局部，澆鑄液體金屬即獲得局部復合材料。外加法的主要不足是顆粒表面易受污染，結合強度低。原位反應法中陶瓷顆粒通過化學反應形成，顆粒表面潔凈、形狀規整，且與基體界面結合強度高，因而備受青睞。如專利02109101.3中采用Al、Ti和C粉制成預制塊，在鑄型內反應形成原位陶瓷顆粒TiC，制備局部增強鋼基復合材料；專利200610038185.0中采用Ni、Al、Ti和C粉制成坯塊，澆鑄金屬液后反應形成TiC/Ni₃Al金屬間化合物基表面復合涂層；專利200610016778.7中將Al粉、Ti-Fe粉和C粉混合制成預制塊，通過澆鑄金屬鋼液制備TiC顆粒局部增強鋼基復合材料。

發明內容

本發明的目的是提供一種工藝相對簡單、可靠，成本低廉且易于推廣應用的原位瓷顆粒梯度增強鋼基復合材料的制備方法。

本發明的技術方案是：采用廉價的工業Ti-Fe粉和B₄C粉，通過鑄型內澆鑄高溫金屬鋼液誘發壓坯的燃燒合成反應，形成原位TiB₂和TiC陶瓷顆粒，制備陶瓷顆粒梯度增強鋼基復合材料。具體工藝過程包括反應物壓坯的制備和鑄型型腔內的燃燒合成反應兩個階段：

1)反應物壓坯的制備：

a.壓坯組成：壓坯由粉料粒度小于80微米的工業B₄C粉和Ti-Fe粉組成，其中Ti-Fe粉中的Ti含量為25％≤Ti≤70％，B₄C粉和Ti-Fe粉的比例按摩爾比為TiB₂∶TiC＝2∶1，

b.混料：將上述配制好的B₄C粉和Ti-Fe粉裝入球磨混料機中，混料6±1小時，使之混合均勻，

c.壓制成型：把混合均勻的粉體放入模具中，在室溫下壓制成坯，壓坯密度為3.4±0.9克/厘米³；

2)鑄型型腔內的燃燒合成反應：

a.預處理：將反應物壓坯放入真空或有氬氣保護的烘干爐內，加熱至350±150℃，烘干除氣4±1小時，

b.燃燒合成反應：將預處理后的壓坯置于鑄型型腔內鑄件需要增強的特定區域或位置，隨后將1550±50℃高溫金屬鋼液澆注到鑄型內，誘發壓坯內的燃燒合成反應，形成TiB₂和TiC陶瓷顆粒，從而制備出原位TiB₂-TiC陶瓷顆粒梯度增強鋼基復合材料。

本發明與目前已有的技術相比具有以下特點：

本發明提供一種工藝相對簡單、可靠，成本低廉且易于推廣應用的原位雙相TiB₂-TiC陶瓷顆粒梯度增強鋼基復合材料的制備方法，即采用工業Ti-Fe粉和B₄C粉反應形成原位TiB₂和TiC陶瓷顆粒，通過陶瓷顆粒梯度區域增強來提高復合材料的性能。此外，由于反應物壓坯中沒有添加Al粉，既降低了成本，又減少了反應過程中由于Al的汽化而形成的氣孔傾向，使得復合材料更加致密，提高了其性能。

1)原位陶瓷增強顆粒TiB₂和TiC反應形成，形狀規整，表面潔凈，與基體結合加強度高；

2)工藝簡單可靠，成本低廉，反應物用廉價的工業Ti-Fe粉代替純Ti粉，降低了成本；

3)反應物壓坯中沒有Al粉，既降低了成本，又減少了復合材料中的氣孔傾向，復合材料致密性提高，進而提高了性能；