一种陶瓷颗粒增强镍铝基复合材料的激光烧结合成方法

摘要

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种陶瓷颗粒增强镍铝基复合材料的激光烧结合成方法。本发明的技术方案步骤是：将镍粉、铝粉按照原子比Ni:Al=3:1混合，并加入镍铝混合粉总质量0.5-2wt%的钨精矿石粉末，进行球磨获得混合均匀的混合粉料，将混合粉料压制成圆柱形压坯，将压坯置于数控机床上，启动CO

说明书

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种陶瓷颗粒增强镍铝基复合材料的激光烧结合成方法。

背景技术

激光具有单色性、相干性、方向性和高能量密度等特点,作为燃烧合成的热源具有易控制、非接触、无污染、加热及冷却速率高、易于获得非平衡相及多缺陷的结构、易合成具有某些特殊功能材料等优势特性，因而广泛用于金属基复合材料的加工。激光诱导自蔓延高温合成技术是利用激光的高能密度透过特定的介质(窗口)将待合成材料点燃，然后靠合成反应放出的潜热维持自蔓延，最终获得所需的材料。激光自蔓延烧结的主要特点有：1）明显的节能效果，充分利用了原料的化学反应热来供应后续反应所需要的热量；2）可达到很高的反应温度，瞬间温度可以达到3000-4000℃，是制备特殊高温材料的有效方法；3）由于反应温度高，在反应过程中一些气化温度较低的材料会挥发，从而可以达到纯化产物的目的；4）工艺简单，反应点火后可以自持续进行；5）产品中极有可能出现非平衡相或亚稳相，因而产品活性高，易于烧结。

目前，由于金属基复合材料其具有熔点高、密度低、热传导性良好、比强度高、抗氧化性高等一系列的优异性能，广泛应用于制造高温结构基体材料，特别是在航空航天领域、汽车工业、模具领域、轧辊领域以及制造功能梯度零件方面的应用。引入金属基复合材料增强体强化的方法包括外部引入增强体和原位自生增强体两大类，现有的制备镍铝基复合材料通常采用的方法有：燃烧合成法、快速凝固法、喷雾沉积、粉末冶金法、反应熔渗、机械合金化、喷射成形法等。这些方法在制备过程中都经历了增强体的外加混合过程，属于部引入增强体，而这一过程必然会导致—定程度的颗粒表面污染，并且增强体多为颗粒或第二相硬质点，因此存在界面结合不佳，且存在增强体加入困难以及工艺复杂、成本昂贵和增强体易偏聚等缺点。

发明内容

本发明针对常规镍铝基复合材料在制备技术上存在的不足，提供一种陶瓷颗粒增强镍铝基复合材料的激光烧结合成方法，通过在基体上原位自生形成陶瓷颗粒增强镍铝基体，获得综合性能更优秀的复合材料。

为了实现发明目的，本发明的技术方案按照以下步骤进行：

（1）将镍粉、铝粉按照原子比Ni:Al=3:1混合，并加入镍铝混合粉总质量0.5-2wt%的钨精矿石粉末，然后装入球磨罐中置于球磨机上球磨4-6h，球磨速度100-200rpm，球磨后获得混合均匀的混合粉料；

（2）采用具有圆柱形型腔的压坯模具，将混合粉料置于型腔内，利用压杆在60-80KN的压力下压制成圆柱形压坯，压坯高度为12-18mm，相对密度为88%；

（3）将压坯置于数控机床上，数控机床和CO₂激光加工机相连，调整数控机床主轴，使得激光束垂直照射时光斑直径和压坯直径相同，启动CO₂激光加工机，激光功率为900-1200W，激光照射时间为10~20s，将压坯表面点燃并使其发生自蔓延反应，反应速度为5-8mm/s，待压坯自然冷却，即得到激光烧结合成的陶瓷颗粒增强镍铝基复合材料。

所述的镍粉纯度为99.9wt %，粒度为200目；铝粉的纯度为99.9 wt %，粒度为200目；钨精矿石粉末含WO₃ 80wt%，余量为杂质。

采用上述方法获得的陶瓷颗粒增强镍铝基复合材料组织物相为Ni₃Al金属间化合物、Ni₄W 及Al₂O₃陶瓷相、Ni和Al的固溶体物相，其硬度为600-750HK，耐磨性是一般冶金方法获得的NiAl金属间化合物的1.5-2倍。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

本发明的原理是：以高能量密度激光为热源，快速点燃压坯，利用压坯内自身放出的高能量引燃整个压坯反应，且反应过程和速度容易控制，点燃后利用熔融铝的强还原性能直接还原钨矿石粉末中的WO₃，生成单质W，高温下的单质W和余量的Ni发生反应生成Ni₄W相，而熔融的Al在毛细力作用下迅速扩展，包围新生成的Ni₄W相，使其不能聚集长大，从而得到细小的WC颗粒并且弥散分布于基体中，其作为α-Al凝固时的异质形核核心，起到了强化基体的作用，而分布在基体表面的Al利用大气中的氧生成另一种增强陶瓷相：Al₂O₃相。

钨精矿粉经过铝热还原反应出来的钨元素是原位自生纳米级复相陶瓷增强颗粒组元，对基体的硬度和耐磨有积极贡献，其中的杂质为矿石中常见的杂质元素，如P含量约为0.4 wt %， S含量约为0.3 wt%等，这些杂质元素及其夹杂物不参与反应，可以做为控制自蔓延燃烧合成速度的稀释剂，当加入钨矿石粉末后，由于其杂质元素及其夹杂物不参与反应，对反应物料起到稀释作用，因此可以通过加入钨精矿石粉末含量来控制压坯的自蔓延反应速度，使其自蔓延燃烧合成速度控制在6-8mm/s。

上述激光诱导的自蔓延反应化学方程式为：

金属间化合物反应：3Ni+Al=Ni₃Al     （1）；

Al热还原反应WO₃+2Al+=W+Al₂O₃     （2）；

自生陶瓷相反应W+4Ni=Ni₄W      （3）；

原位自生合成复合材料由于增强颗粒是在基体内原位生成的，所以形成清洁、无氧化的反应界面，颗粒分布更为均匀，同时生成成本低，通用性好，并能形成高致密度的复合材料，原位自生的陶瓷相Ni₄W和Al₂O₃弥散分布在基体中，大幅度提高了复合材料的硬度及强度，同时，陶瓷增强相Ni₄W和Al₂O₃间高韧性的镍铝固溶体及其生成的Ni₃Al金属间化合物让复合材料具有一定的韧性，在航空航天、汽车工业的发动机叶片、活塞、轮机等中高温领域中有着广阔应用前景，极大程度地丰富了NiAl基复合材料的制备工艺。

本发明的合成方法实现了在一种基体上同时生成两种以上的陶瓷增强相，其制备工艺先进，过程简单，粉末利用率高，制造过程自蔓延合成速度能够通过加入钨精矿石粉末的多少来控制，生成过程没有界面污染，镍铝基体和原位生成的增强颗粒之间结合牢固，增强相尺寸相对细小，分布均匀，材料的综合性能得到了提高。本发明将原位自蔓延燃烧合成技术、矿物加工、粉末冶金结合在一起，使基体自身的反应和增强相的生成以及金属基复合材料的制备结合在一起，明显缩短了镍铝基复合材料的制备工艺流程，降低其制备成本，容易实现大规模生产，正是由于原位自生的增强陶瓷相使得镍铝金属间化合物的高温力学性能能得到了明显的改善与提高。

附图说明

图1为本发明的压坯模具示意图；

其中，1：脱模座；2：阴模；3：压杆；

图2为本发明实施例1制备的陶瓷颗粒增强镍铝基复合材料的微观组织SEM图谱，放大倍数为2000倍；

其中，基体组织为Ni₃Al金属间化合物相和NiAl固溶体，白色突出条状和树枝状为Ni₄W 及Al₂O₃陶瓷相；

图3为本发明陶瓷颗粒增强镍铝基复合材料的激光诱导自蔓延烧结过程照片；

其中，(a)是压坯烧结前；（b）是激光诱导压坯发生自蔓延反应；（c）是反应完成。

具体实施方式

本发明实施例中采用粉末材料参数为：钨精矿石粉末含WO_3-80%wt%，其余为杂质，杂质稳定不与压坯粉末发生化学反应；镍粉200目，纯度99%；铝粉200目，纯度99%。

本发明实施例球磨采用的是星型球磨机。

本发明实施例采用的激光机为为HL-1500型无氦横流CO₂激光加工机，数控机床型号为PX1-SIE。

本发明实施例中对镍铝基复合材料的力学性能测试是在WE-30型液压万能试验机上进行的。

实施例1

（1）将镍粉、铝粉按照原子比Ni:Al=3:1混合，并加入镍铝混合粉总质量0.5wt%的钨精矿石粉末，然后装入球磨罐中置于球磨机上球磨4h，球磨速度100rpm，球磨后获得混合均匀的混合粉料；

（2）采用如图1所示，具有圆柱形型腔的压坯模具，由脱模座和阴模组成，将混合粉料置于型腔内，利用压杆在60KN的压力下压制成圆柱形压坯，压坯高度为12mm，相对密度为88%；

（3）将压坯置于数控机床上，数控机床和CO₂激光加工机相连，调整数控机床主轴，使得激光束垂直照射时光斑直径和压坯直径相同，启动CO₂激光加工机，激光功率为900W，激光照射时间为20s，如图3所示，将压坯表面点燃并使其发生自蔓延反应，反应速度为5mm/s，待压坯自然冷却，即得到激光烧结合成的陶瓷颗粒增强镍铝基复合材料。

获得的镍铝复合材料平均硬度620HK，相对耐磨性1.3。

获得的复合材料组织为条状和树枝状组织NiAl金属间化合物相 + 基体NiAl固溶体 + Ni₄W 及Al₂O₃陶瓷颗粒相，如图2所示。

实施例2

（1）将镍粉、铝粉按照原子比Ni:Al=3:1混合，并加入镍铝混合粉总质量1wt%的钨精矿石粉末，然后装入球磨罐中置于球磨机上球磨5h，球磨速度150rpm，球磨后获得混合均匀的混合粉料；

（2）采用如图1所示，具有圆柱形型腔的压坯模具，包括脱模座和阴模，将混合粉料置于型腔内，利用压杆在70KN的压力下压制成圆柱形压坯，压坯高度为15mm，相对密度为88%；

（3）将压坯置于数控机床上，数控机床和CO₂激光加工机相连，调整数控机床主轴，使得激光束垂直照射时光斑直径和压坯直径相同，启动CO₂激光加工机，激光功率为1100W，激光照射时间为12s，如图3所示，将压坯表面点燃并使其发生自蔓延反应，反应速度为7mm/s，待压坯自然冷却，即得到激光烧结合成的陶瓷颗粒增强镍铝基复合材料。

获得的镍铝复合材料平均硬度700HK，相对耐磨性1.8。

获得的复合材料组织为条状和树枝状组织NiAl金属间化合物相 + 基体NiAl固溶体 + Ni₄W 及Al₂O₃陶瓷颗粒相。

实施例3

（1）将镍粉、铝粉按照原子比Ni:Al=3:1混合，并加入镍铝混合粉总质量2wt%的钨精矿石粉末，然后装入球磨罐中置于球磨机上球磨6h，球磨速度200rpm，球磨后获得混合均匀的混合粉料；

（2）采用如图1所示，具有圆柱形型腔的压坯模具，包括脱模座和阴模，将混合粉料置于型腔内，利用压杆在80KN的压力下压制成圆柱形压坯，压坯高度为18mm，相对密度为88%；

（3）将压坯置于数控机床上，数控机床和CO₂激光加工机相连，调整数控机床主轴，使得激光束垂直照射时光斑直径和压坯直径相同，启动CO₂激光加工机，激光功率为1200W，激光照射时间为10s，如图3所示，将压坯表面点燃并使其发生自蔓延反应，反应速度为8mm/s，待压坯自然冷却，即得到激光烧结合成的陶瓷颗粒增强镍铝基复合材料。

获得的镍铝复合材料平均硬度750HK，相对耐磨性2.2。

获得的复合材料组织为条状和树枝状组织NiAl金属间化合物相 + 基体NiAl固溶体 + Ni₄W 及Al₂O₃陶瓷颗粒相。