[發明專利]一種陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料的激光燒結合成方法

無效

• 申請號: 201210368991.X
• 申請日: 2012-09-27
• 公開（公告）號: CN102876926A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 李剛;胡文全;安亞君;羅崇輝
• 申請（專利權）人: 遼寧工程技術大學
• 主分類號: C22C19/03
• 分類號: C22C19/03;C22C1/05
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 李運萍

技術領域

本發明屬于材料加工技術領域，具體涉及一種陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料的激光燒結合成方法。

背景技術

激光具有單色性、相干性、方向性和高能量密度等特點,作為燃燒合成的熱源具有易控制、非接觸、無污染、加熱及冷卻速率高、易于獲得非平衡相及多缺陷的結構、易合成具有某些特殊功能材料等優勢特性，因而廣泛用于金屬基復合材料的加工。激光誘導自蔓延高溫合成技術是利用激光的高能密度透過特定的介質(窗口)將待合成材料點燃，然后靠合成反應放出的潛熱維持自蔓延，最終獲得所需的材料。激光自蔓延燒結的主要特點有：1）明顯的節能效果，充分利用了原料的化學反應熱來供應后續反應所需要的熱量；2）可達到很高的反應溫度，瞬間溫度可以達到3000-4000℃，是制備特殊高溫材料的有效方法；3）由于反應溫度高，在反應過程中一些氣化溫度較低的材料會揮發，從而可以達到純化產物的目的；4）工藝簡單，反應點火后可以自持續進行；5）產品中極有可能出現非平衡相或亞穩相，因而產品活性高，易于燒結。

目前，由于金屬基復合材料其具有熔點高、密度低、熱傳導性良好、比強度高、抗氧化性高等一系列的優異性能，廣泛應用于制造高溫結構基體材料，特別是在航空航天領域、汽車工業、模具領域、軋輥領域以及制造功能梯度零件方面的應用。引入金屬基復合材料增強體強化的方法包括外部引入增強體和原位自生增強體兩大類，現有的制備鎳鋁基復合材料通常采用的方法有：燃燒合成法、快速凝固法、噴霧沉積、粉末冶金法、反應熔滲、機械合金化、噴射成形法等。這些方法在制備過程中都經歷了增強體的外加混合過程，屬于部引入增強體，而這一過程必然會導致—定程度的顆粒表面污染，并且增強體多為顆粒或第二相硬質點，因此存在界面結合不佳，且存在增強體加入困難以及工藝復雜、成本昂貴和增強體易偏聚等缺點。

發明內容

本發明針對常規鎳鋁基復合材料在制備技術上存在的不足，提供一種陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料的激光燒結合成方法，通過在基體上原位自生形成陶瓷顆粒增強鎳鋁基體，獲得綜合性能更優秀的復合材料。

為了實現發明目的，本發明的技術方案按照以下步驟進行：

（1）將鎳粉、鋁粉按照原子比Ni:Al=3:1混合，并加入鎳鋁混合粉總質量0.5-2wt%的鎢精礦石粉末，然后裝入球磨罐中置于球磨機上球磨4-6h，球磨速度100-200rpm，球磨后獲得混合均勻的混合粉料；

（2）采用具有圓柱形型腔的壓坯模具，將混合粉料置于型腔內，利用壓桿在60-80KN的壓力下壓制成圓柱形壓坯，壓坯高度為12-18mm，相對密度為88%；

（3）將壓坯置于數控機床上，數控機床和CO₂激光加工機相連，調整數控機床主軸，使得激光束垂直照射時光斑直徑和壓坯直徑相同，啟動CO₂激光加工機，激光功率為900-1200W，激光照射時間為10~20s，將壓坯表面點燃并使其發生自蔓延反應，反應速度為5-8mm/s，待壓坯自然冷卻，即得到激光燒結合成的陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料。

所述的鎳粉純度為99.9wt?%，粒度為200目；鋁粉的純度為99.9?wt?%，粒度為200目；鎢精礦石粉末含WO_3?80wt%，余量為雜質。

采用上述方法獲得的陶瓷顆粒增強鎳鋁基復合材料組織物相為Ni₃Al金屬間化合物、Ni₄W?及Al₂O₃陶瓷相、Ni和Al的固溶體物相，其硬度為600-750HK，耐磨性是一般冶金方法獲得的NiAl金屬間化合物的1.5-2倍。

與現有技術相比，本發明的特點和有益效果是：

本發明的原理是：以高能量密度激光為熱源，快速點燃壓坯，利用壓坯內自身放出的高能量引燃整個壓坯反應，且反應過程和速度容易控制，點燃后利用熔融鋁的強還原性能直接還原鎢礦石粉末中的WO₃，生成單質W，高溫下的單質W和余量的Ni發生反應生成Ni₄W相，而熔融的Al在毛細力作用下迅速擴展，包圍新生成的Ni₄W相，使其不能聚集長大，從而得到細小的WC顆粒并且彌散分布于基體中，其作為α-Al凝固時的異質形核核心，起到了強化基體的作用，而分布在基體表面的Al利用大氣中的氧生成另一種增強陶瓷相：Al₂O₃相。