[發(fā)明專利]噴射沉積納米顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010557276.1
• 申請日: 2010-11-24
• 公開（公告）號: CN101967595A
• 公開（公告）日: 2011-02-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曲迎東;劉敬福;李榮德;馬廣輝;白彥華;李晨希
• 申請（專利權(quán)）人: 沈陽工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C22C32/00
• 分類號: C22C32/00;C22C18/04;C22C1/00;B22F3/115
• 代理公司: 沈陽智龍專利事務(wù)所(普通合伙) 21115
• 代理人: 宋鐵軍

一、技術(shù)領(lǐng)域：本發(fā)明涉及一種納米TiC顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料及其制備方法，可應(yīng)用于新型鋅基軸承（瓦）材料的生產(chǎn)領(lǐng)域。

二、背景技術(shù)：鋅鋁合金代替青銅、黃銅做低速重載下工作的軸承（瓦）耐磨件，有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。但鋅鋁合金結(jié)晶溫度區(qū)間大，常規(guī)鑄造宏觀偏析嚴(yán)重，初生樹枝晶間存在低熔點(diǎn)共晶區(qū)。溫度升高，其強(qiáng)度、硬度急劇下降，超過150℃后，抗拉強(qiáng)度低于鋁合金和銅合金，這嚴(yán)重限制其在高溫環(huán)境中應(yīng)用。鋅鋁合金用作軸承（瓦）工作時(shí)，即使在油潤滑良好的中低速條件下使用，整體溫升接近40℃，無潤滑時(shí)溫升高達(dá)150℃以上。因此，改善鋅鋁合金力學(xué)性能特別是高溫力學(xué)性能，對提高其作為軸承（瓦）件服役壽命和工作速率顯得尤為重要。?

采用Si、Mn等合金化雖可改善鋅鋁合金的高溫性能,但其提高幅度有限。為克服鋅鋁合金耐高溫性能差、尺寸不穩(wěn)定和重載條件摩擦磨損嚴(yán)重等缺點(diǎn)，以鋅鋁合金為基體制備非連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料,?特別是顆粒增強(qiáng)鋅鋁基復(fù)合材料,已得到越來越多的研究者關(guān)注。所添加增強(qiáng)相有碳化硅顆粒、石墨顆粒、氧化鋁顆粒等，研究包括復(fù)合材料制備、微觀結(jié)構(gòu)（界面）、力學(xué)性能、摩擦磨損特性等。從國內(nèi)外的研究來看，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料與鋅鋁合金相比，高溫性能（強(qiáng)度、耐磨性、蠕變等）提高顯著但室溫性能改善并不明顯甚至有下降趨勢。由于制備工藝原因，基體金屬對增強(qiáng)體的潤濕性與界面反應(yīng)存在矛盾，增強(qiáng)體在基體金屬中的混合與分布不均勻等問題難以解決，所添加顆粒的尺度均在10um以上，沒有發(fā)現(xiàn)添加納米顆粒作為增強(qiáng)相的報(bào)道。當(dāng)增強(qiáng)相為納米顆粒，由于其表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，在基體中混合與均勻分布問題顯得尤為突出，其成形問題更復(fù)雜。

制備納米鋅基復(fù)合材料，選擇合適顆粒及適宜的加入方法很重要。在諸多顆粒中，TiC具有高硬度、高模量、高熔點(diǎn)等特性,作為增強(qiáng)體對提高復(fù)合材料的耐磨性和高溫性能有顯著效果。此外，TiC粒子可作為有效的異質(zhì)晶核,能顯著細(xì)化基體合金的組織。單一手段很難解決納米顆粒的分散均勻性和浸潤性，本研究在對納米TiC顆粒表面處理基礎(chǔ)上準(zhǔn)備采用超音速噴射沉積方法制備鋅鋁基復(fù)合材料。

在許多顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法中，噴射共沉積法有十分引人注目的特點(diǎn)。這種工藝在保留了粉末冶金方法優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還克服了其主要缺點(diǎn)。而且這種基于把液態(tài)金屬霧化成細(xì)小液滴后和固體增強(qiáng)相質(zhì)點(diǎn)混合共同沉積時(shí)具備快速凝固的條件，所得復(fù)合材料有快速凝固特征。用這種工藝既可直接制備復(fù)合材料零件，也可制備大尺寸毛坯供變形加工。

過熱的鋅鋁合金液由保溫坩堝流至霧化室被氮?dú)忪F化成細(xì)小的液態(tài)霧滴，液漓尺寸、形狀及分布可通過霧化器設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)調(diào)整而變化。固體增強(qiáng)質(zhì)點(diǎn)如TiC由一組噴嘴射入液體霧化流中并與之混合，在氣流或本身動能驅(qū)動下向冷卻基板運(yùn)動。改善顆粒與基體潤濕性、通過控制噴射沉積工藝參數(shù)使納米粒子具有足夠的動能，是獲得組織、性能符合要求的沉積體的關(guān)鍵。

從噴射沉積成形具體工藝入手，同時(shí)對基體合金進(jìn)行合金化處理，對顆粒進(jìn)行增大潤濕性處理，是獲得綜合性能滿足需求的納米顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料的技術(shù)關(guān)鍵。

三、發(fā)明內(nèi)容：

1、發(fā)明目的：本發(fā)明涉及一種納米TiC顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料及其制備方法，屬于新型鋅基軸承（瓦）材料，解決在關(guān)鍵軸承（瓦）構(gòu)件耐高溫磨損及腐蝕等問題。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明是按照以下技術(shù)方案實(shí)施的：

一種噴射沉積納米顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料，其特征在于：這種材料的成分由兩部分組成，一種是基體合金，另一種是納米TiC顆粒；基體合金的重量百分比為：Al?27—43?；Cu?1.5-2.5；Mn?3.0-3.5，余量為Zn；納米TiC顆粒的加入量占基體合金體積百分?jǐn)?shù)的5-20。

一種如上所述的噴射沉積納米顆粒增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：這種方法的具體過程為：

（1）將Al、Cu、Mn、Zn按權(quán)利要求1設(shè)計(jì)的成分比例配好，加熱使其熔化，過熱的高錳鋅鋁合金液由保溫坩堝流至霧化室，被氮?dú)忪F化成細(xì)小的液態(tài)霧滴；納米TiC顆粒按照權(quán)利要求1設(shè)計(jì)的體積百分?jǐn)?shù)由另一組噴嘴射入液體霧化流中并與之混合，在氣流及本身動能驅(qū)動下向冷卻基板運(yùn)動；通過調(diào)整噴射沉積的霧化壓力、噴射距離、沉積盤下降速率，確定適宜的工藝參數(shù)，獲得復(fù)合材料坯錠；

（2）復(fù)合材料坯錠經(jīng)熱擠壓處理，通過調(diào)整比壓、擠壓溫度和擠壓比，得到復(fù)合材料棒材。

在該方法的步驟（1）中，霧化壓力為0.7～1.0?MPa,?噴射距離為420～430mm，沉積盤下降速率為50～55?mm.min^-1。