[發(fā)明專利]一種梯度金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210091098.7
• 申請(qǐng)日: 2012-03-30
• 公開（公告）號(hào): CN102605207A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉光華;李江濤;許天剛;郭世斌;楊增朝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): C22C1/10
• 分類號(hào): C22C1/10;C22C1/05;C22C29/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 李柏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及梯度金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

金屬陶瓷是金屬相與陶瓷相共同組成的一種復(fù)合材料，它具有高硬度、高強(qiáng)度、高韌性和優(yōu)良的耐磨性，在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。

梯度金屬陶瓷，是指成分與性能沿某一方向呈梯度變化的金屬陶瓷。梯度金屬陶瓷中，金屬含量較高的一側(cè)，具有較好的韌性和較強(qiáng)的塑性變形能力，陶瓷含量較高的一側(cè)，具有較高的硬度和優(yōu)良的耐磨性。

梯度金屬陶瓷，可通過(guò)粉末冶金、焊接等方法制備。用這兩種方法制備的梯度金屬陶瓷，難以形成連續(xù)梯度，不同成分區(qū)域之間存在界面。界面附近常會(huì)有應(yīng)力集中或者氣孔、裂紋等缺陷，嚴(yán)重?fù)p害材料的力學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一是提供一種梯度金屬陶瓷復(fù)合材料。

本發(fā)明的目的之二是提供一種梯度金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法。

本發(fā)明的梯度金屬陶瓷復(fù)合材料是由FeNiCr/NiAl金屬相和TiC/TiB₂陶瓷相共同組成，且沿縱向厚度方向，所述的梯度金屬陶瓷復(fù)合材料中的FeNiCr/NiAl金屬相與TiC/TiB₂陶瓷相的含量呈連續(xù)梯度變化，一側(cè)的表面為FeNiCr/NiAl金屬相，另一側(cè)的表面為FeNiCr/NiAl/TiC/TiB₂金屬陶瓷相，且所述另一側(cè)的表面中的TiC/TiB₂陶瓷相的體積分?jǐn)?shù)為93％≤體積分?jǐn)?shù)＜100％。

所述的FeNiCr/NiAl金屬相中的FeNiCr形成三維網(wǎng)狀編織結(jié)構(gòu)，嵌入在三維網(wǎng)狀編織結(jié)構(gòu)中的NiAl晶粒的平均晶粒尺寸為50～100nm。

本發(fā)明的梯度金屬陶瓷復(fù)合材料是利用高放熱燃燒反應(yīng)，原位合成金屬熔體與陶瓷顆粒，并在超重力場(chǎng)作用下，使陶瓷顆粒在金屬熔體中形成梯度分布，冷卻凝固之后，得到梯度金屬陶瓷復(fù)合材料。

本發(fā)明的梯度金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：

(1)配制反應(yīng)劑

以Al、Fe₂O₃、NiO、Cr₂O₃、Ti、C和CB₄的粉末為原料，將上述粉末原料混合均勻并充分干燥，制得反應(yīng)劑；其中，反應(yīng)劑中各粉末原料之間的摩爾比為：

Al∶Fe₂O₃∶NiO∶Cr₂O₃＝(2.3+2x)∶1∶0.3∶x，x＝0.1～0.3；

Ti∶C∶CB₄＝(1+3y)∶1∶y，y＝0.5～1；

Al、Fe₂O₃、NiO和Cr₂O₃的質(zhì)量總和在反應(yīng)劑中所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為50～80％；

(2)超重力場(chǎng)中燃燒合成

將步驟(1)配制好的反應(yīng)劑壓制成孔隙率為45～65％的粉末壓坯后裝入石墨坩堝，并置于超重力場(chǎng)中，以電熱點(diǎn)火方式誘發(fā)反應(yīng)劑之間發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)；反應(yīng)完成后，得到的產(chǎn)物自然分離為兩層，上層為氧化鋁，下層為梯度金屬陶瓷復(fù)合材料，剝離上層的氧化鋁，得到所述的梯度金屬陶瓷復(fù)合材料。

所述的超重力場(chǎng)是通過(guò)高速離心產(chǎn)生，其加速度為10000～50000m²/s。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明的梯度金屬陶瓷復(fù)合材料中的FeNiCr/NiAl金屬相與TiC/TiB₂陶瓷相的含量呈連續(xù)梯度變化，沒(méi)有明顯的界面以及氣孔、裂紋等缺陷；其中所述的TiC/TiB₂陶瓷相不是通過(guò)原料直接添加，而是由燃燒反應(yīng)原位生成，因此在金屬基體中分布非常均勻；另外，該梯度金屬陶瓷復(fù)合材料中的FeNiCr/NiAl金屬相與TiC/TiB₂陶瓷相的含量的梯度變化很大，兩側(cè)成分差異顯著，一側(cè)的表面為FeNiCr/NiAl金屬相，不含陶瓷相，另一側(cè)的表面以TiC/TiB₂陶瓷相為主，其體積分?jǐn)?shù)為93％≤體積分?jǐn)?shù)＜100％。

(2)本發(fā)明的梯度金屬陶瓷復(fù)合材料的耐磨性比市售的同類金屬陶瓷復(fù)合材料有大幅度提高(如表1所示)。

(3)本發(fā)明的制備方法中所采用的超重力場(chǎng)的加速度高達(dá)10000～50000m²/s，可以制備出具有很大成分梯度的金屬陶瓷復(fù)合材料。