[發明專利]激光燃燒合成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料的方法

有效

• 申請號: 201010267564.3
• 申請日: 2010-08-31
• 公開（公告）號: CN101906564A
• 公開（公告）日: 2010-12-08
• 發明（設計）人: 李剛;水東莉
• 申請（專利權）人: 遼寧工程技術大學
• 主分類號: C22C32/00
• 分類號: C22C32/00;C22C21/12;C22C1/05
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 李在川

技術領域

本發明屬于材料技術領域，特別涉及一種激光燃燒合成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料的方法。

背景技術

目前，制備復合材料通常采用的制備方法是粉末冶金法和鑄造法，這樣在制備過程中都經歷了增強相的外加混合過程，而這一過程不可避免地會存在一定程度的顆粒表面污染，如化合、氧化、油污等，并且顆粒增強相大都是第二相硬質點，顆粒比較粗大，因而存在界面結合問題，并存在著增強相加入的困難(尤其是微細粒子在基體內均勻、彌散分布)及工藝復雜、成本昂貴和增強體易偏聚等缺點，從而影響顆粒與基體的界面結合和材料的整體綜合力學性能，如復合材料的硬度、耐磨性等。

激光燃燒合成技術是近年來發展起來的引起材料界和工程界廣泛重視的新的材料合成與復合技術，這種方法避免了常規材料復合方法中的顆粒界面污染問題.所以成為合成與制備金屬陶瓷復合材料的重要方向之一；其制造工藝過程包括：金屬粉末混合均勻→壓制成型→激光燃燒合成。由于金屬粉末通過激光燃燒合成得到金屬的形坯件往往硬度和耐磨性低，不能直接應用于實際生產需求；因此混粉時加入一定的合金元素，通過燃燒合成使基材料內部原位生成增強相，與基體一起構成復合材料。然而在許多情況下，需要加入WC等硬質相進行強化，而用傳統的工藝從黑鎢精礦或白鎢精礦生產碳化鎢，通常必須經過仲鎢酸銨生產、鎢粉制備和碳化等許多工序，生產成本高，工藝冗長。

發明內容

本發明的目的是針對上述燃燒合成復合材料制備工藝上的問題，提供一種激光燃燒合成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料的方法，通過摻雜的W0₃直接被還原，原位自生陶瓷增強相WC，同時生成另一種增強相Al₂O₃，在簡化工序的同時，獲得硬度高韌性好，表面耐磨性高的復合材料。

本發明的方法按以下步驟進行：

1、將鎢精礦粉碎至粒度在100目以下，獲得鎢精礦粉；將粒度為200目以下的鋁粉、銅粉和碳粉混合制成原始合金粉末，混合比例按重量比為鋁粉∶銅粉∶碳粉＝100∶40～60∶2～4；再將鎢精礦粉和原始合金粉末在球磨機中球磨混合4～8小時，球磨速度為100～200rpm，鎢精礦與合金粉末的混合比例按重量比為合金粉末∶鎢精礦粉＝100∶1～5，獲得混合粉末。

2、將混合粉末材料以50～70KN壓力壓制成厚度為10～25mm的壓坯，然后在大氣下采用CO₂激光加工機發射高能激光束點燃壓坯表面，引發壓坯自蔓延燒結，生成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料；激光輸出功率為650～850W，激光點燃時間為20～30s。

上述方法中，自蔓延燒結的反應速度為1～2mm/s。

上述自蔓延燒結的反應方程式為：

WO₃+2Al+C＝WC+Al₂O₃---(鎢精礦還原反應方程式及原位自生WC陶瓷顆粒反應式)

Al+Cu＝AlCu-----(AlCu固溶體反應方程式)

2Al+Cu＝Al₂Cu-----(金屬間化合物反應式)

4Al+3O₂＝2Al₂O₃--------(自生陶瓷強化顆粒相反應式)

上述方法獲得的原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料平均硬度值為360～410HK，相對耐磨性1.7～2.6。

上述方法獲得的復合材料的組織物相由AlCu金屬間化合物+WC及Al₂O₃陶瓷相+Al及Cu的固溶體物相組成；顆粒強化相的面積百分數為4.7～6.7％。