[發明專利]一種高溫耐磨復合材料的體系及制備方法

有效

• 申請號: 201510375798.2
• 申請日: 2015-07-01
• 公開（公告）號: CN104894454B
• 公開（公告）日: 2017-03-01
• 發明（設計）人: 張福順;趙增武;李保衛
• 申請（專利權）人: 內蒙古科技大學
• 主分類號: C22C29/12
• 分類號: C22C29/12;C22C1/05
• 代理公司: 北京眾元弘策知識產權代理事務所(普通合伙)11462
• 代理人: 安娜,孫東風

技術領域

本發明屬于金屬陶瓷復合材料及其制備技術領域，尤其涉及一種新體系金屬陶瓷復合材料及其制備方法。

背景技術

復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。

先進陶瓷材料中應用最廣泛的是素有“陶瓷王”之稱的Al2O3陶瓷。氧化鋁陶瓷原料分布廣、產品性能優良、價格低。由于具有耐高溫、硬度大、強度高、耐腐蝕、電絕緣、氣密性好等優良性能，是目前氧化物陶瓷中用途最廣、產量最大的陶瓷新材料：可用于切削刀具、磨環、模具；是理想的集成電路基板材料；還可用作催化劑載體、熱交換管、閥門、化學泵等。但是與其他陶瓷材料一樣，該陶瓷具有脆性這一固有的致命弱點，使得目前Al2O3陶瓷材料的使用范圍及其壽命受到了相當大的限制。改善氧化鋁陶瓷材料脆性的方法很多，如提高材料的密度、純度、晶體完整性，以及改變晶形、晶粒尺寸、晶界狀況等，或通過微裂紋韌化、ZrO2相變增韌、顆粒彌散、纖維增韌方法等。

金屬陶瓷是由陶瓷硬質相與金屬或合金粘結相組成的復合材料，因此兼有金屬和陶瓷的優點。它密度小、硬度高、耐磨、導熱性好，不會因為驟冷或驟熱而脆裂。既具有金屬的韌性、高導熱性和良好的熱穩定性，又具有陶瓷的耐高溫、耐腐蝕和耐磨損等特性。金屬陶瓷廣泛地應用于火箭、導彈、超音速飛機的外殼、燃燒室的火焰噴口等地方。隨著我國機械、冶金、能源等領域的高速、可持續發展，對材料綜合性能的要求越來越高。由于陶瓷-金屬基復合材料能夠將金屬良好的塑性、高導熱性與陶瓷的高溫耐磨損及耐腐蝕性有效的結合起來，因而得到了廣泛關注。

目前，金屬陶瓷分為氧化物體系(Al₂O₃、ZrO₂、MgO)、碳化物體系(TiC、SiC、WC)、硼化物體系(TiB、ZrB、CrB)和氮化物體系(TiN、BN、Si₃N₄、TaN)等，其中氧化物體系應用最廣泛。氧化物金屬陶瓷以氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈹等為基體，與金屬鎢、鉻或鈷復合而成，具有耐高溫、抗化學腐蝕、導熱性好、機械強度高等特點，可用作導彈噴管襯套、熔煉金屬的坩堝和金屬切削刀具。

通常來講，金屬陶瓷要求各物相間有良好的物理相容性和化學相容性，因此，選擇合適金屬相和陶瓷相組合是制備新型金屬陶瓷的先決條件。

Al₂O₃基金屬陶瓷在所有氧化物金屬陶瓷的研究和應用中最為廣泛。但Al₂O₃韌性差，為改善其弊端，常加入延性金屬顆粒。常見的Fe由于潤濕性差而不能直接作為Al₂O₃增韌金屬。文獻1(王志，劉健飛，丁寅森，等.Fe/Al₂O₃復合材料的制備和性能[J].材料研究學報，2012,26(2)：206-210)報道了一種Fe與Al₂O₃陶瓷的復合方法，該方法的缺點是需添加金屬Al來改善Fe與Al₂O₃陶瓷的潤濕性，但是金屬粉末與Al₂O₃陶瓷粉末不易完全混合均勻，影響各物相的物理相容性和化學相容性。專利CN02245580.9報道一種高溫耐磨管件的制備方法，其采用在本鋼制外殼焊接龜甲網，然后將剛玉、燒結礬土或石英為骨料分散在復合磷酸鹽聚合物和促凝劑固化物中所形成的耐高溫耐磨襯里，該方法不足為需先焊接龜甲網，形成的耐高溫耐磨襯里形狀不易控制、成型精度低，斷裂韌性差。文獻2(臧國鵬.反應等離子噴涂Fe-Al₂O₃-FeAl₂O₄復合涂層形成機理的研究[D].天津：河北工業大學，2011)介紹一種反應等離子噴涂Fe-Al₂O₃-FeAl₂O₄復合涂層的方法，該方法以工業鋁粉和氧化鐵粉為原料，通過噴霧造粒法，制備出適合于等離子噴涂的復合粉體，并通過等離子噴涂技術將復合粉體制備成金屬陶瓷復合涂層，該專利的不足為鋁粉還原氧化鐵反應速度不易控制，涂層薄而耐磨性差。到目前為止，世界上未報到關于采用原位反應合成Fe-FeAl₂O₄系金屬陶瓷復合材料。