铁铝金属间化合物－氧化铝陶瓷复合材料及其制备工艺

摘要

本发明涉及一种Fe/Al金属间化合物－Al2O3陶瓷复合材料及其制备工艺。该复合材料由Fe/Al金属间化合物和Al2O3两部分组成。工艺过程为直接采用预先合成的Fe/Al金属间化合物与Al2O3材料复合,从而形成Fe/Al金属间化合物基Al2O3陶瓷复合材料和Al2O3陶瓷基Fe/Al金属间化合物复合材料。该复合材料具有良好的机械性能和耐高温、耐腐蚀、抗氧化性能,可用于制作刀具、模具等工程材料。

说明书

本发明属于材料科学领域，特别是一种金属间化合物与陶瓷互为基体的复合材料及其制备工艺。

金属间化合物具有比重轻、抗氧化、耐高温等突出优点，成为一类极具潜力的高温结构材料。其中，Fe/Al基金属间化合物除具有一般金属间化合物多种出色的性能外，它具有的抗氧化、耐腐蚀性可与不锈钢媲美，其比强度高，又不含战略元素，成本低(只有不锈钢的三分之一)，因而与Ti-Al,Ni-Al系金属间化合物相比，具有更大的应用前景。

但是，具有DO₃结构的Fe₃Al和B₂结构的FeAl金属间化合物，在高温下综合性能(强度、抗氧化性、抗腐蚀性等)降低，成为其工程应用的主要障碍。解决这一问题的有效途径就是用氧化铝增强Fe/Al金属间化合物，形成Fe/Al基陶瓷复合材料。

氧化铝陶瓷是一种优异的高温结构材料，其强度高、耐高温、耐腐蚀性能优良，且价格低廉而应用广泛。但是，氧化铝陶瓷的脆性是其作为结构材料最大的弱点。

金属间化合物具有金属键和共价键共存的特性，其使用温度可介于金属超硬合金和陶瓷之间，其脆性比金属材料高，但却比陶瓷材料低。利用金属间化合物韧性高于陶瓷材料的特性，增韧氧化铝陶瓷，形成氧化铝基Fe/Al金属间化合物复合材料。另一方面，用高温陶瓷材料增强金属间化合物，可明显提高金属间化合物的高温力学性能。金属间化合物与陶瓷形成复合材料以自身的优良性能弥补对方的缺陷。

德国专利(German Pat.Application DE4447130.0,fillng date December29,1994)介绍了含有Fe和FeAl的Al₂O₃复合材料。它是通过将Fe粉、Al粉和Al₂O₃粉在丙酮中球磨，制粉、成型，在1450～1500℃的温度下无压烧结，制备的含Fe-Al₂O₃和FeAl-Al₂O₃相的复合材料。这种材料实际上是一种金属陶瓷复合材料。其工艺过程存在两方面问题：一，由于金属的熔点低，与陶瓷的润湿性差，陶瓷基体中能包含的金属的量会受到限制；二，复合材料中FeAl相的形成量难以控制。由于该材料中的FeAl相是烧结过程中反应形成的，相含量极易受热处理过程的影响，表现在宏观上是材料的性能不稳定。

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种耐高温、抗氧化、性能稳定的Fe/Al金属间化合物-Al₂O₃陶瓷复合材料及其制备工艺。

本发明是通过以下方式实现的：

Fe/Al金属间化合物-Al₂O₃陶瓷复合材料。本发明的特征在于：它由Fe/Al金属间化合物和Al₂O₃两部分组成，各组成部分的重量百分比(wt％)为：Al₂O₃5～95％,Fe/Al基金属间化合物5～95％。

上面所述的复合材料，其特征还在于Fe/Al基金属间化合物组分重量百分比(wt％)为：

    Al     Ce    Nb    V     Mo    Cr

15.9～22.4  0～1.0  0～1.5  0～1.5  0～2.0  0～5.0

Ni       W    TiC    WC

0～1.5  0～1.5  0～2.0  0～2.0    余为Fe。

制备上述复合材料的工艺步骤为：

1)金属Fe粉和Al粉以及少量添加剂(例如,Ce,V,Cr,Ni等)按配比准确称料，干法球磨机械合金化，形成主晶相为Fe₃Al和FeAl的混合物；

2)Fe/Al金属间化合物粉体与Al₂O₃细粉按配方称料后，一起球磨，用无水乙醇作研磨介质，料浆在真空干燥器中干燥，制粉；

3)粉体材料装入石墨模具中，热压烧结，用H₂或N₂作保护气体，烧成温度范围为：1150～1550℃，压力10～35MPa。

由于本发明直接采用预先合成的Fe/Al金属间化合物与Al₂O₃陶瓷复合，从而可形成两大系列的复合材料，即：Al₂O₃基Fe/Al金属间化合物复合材料和Fe/Al金属间化合物基Al₂O₃陶瓷复合材料。前者利用Fe/Al金属间化合物提高Al₂O₃陶瓷材料的韧性，后者利用Al₂O₃陶瓷材料提高Fe/Al金属间化合物的硬度、耐高温和抗氧化性能。

下面给出本发明的一个最佳实施例：

Fe-Al基料的配比为(wt％):Al28,Fe71,Mo1。复合材料的配比为(wt％):Fe-Al基料30，氧化铝细粉70。

首先按Fe-Al基料的比例准确称料，用高速球磨机球磨20小时。得到Fe-Al金属间化合物基料。

按复合材料的比例配料，加入无水乙醇球磨2小时：浆料在真空干燥箱中干燥；制粉。

粉料装入石墨模具中，在气氛保护烧结炉中烧结，保护气体为H₂，烧成温度1360℃，压力30MPa，保温保压15分钟。制得氧化铝基Fe-Al金属间化合物陶瓷复合材料。

本发明所制备材料的主要性能可以达到：HRA90～92，抗弯强度700～900MPa，断裂韧性KIC6～8MNm^-3/2。说明：

本发明的突出特点是采用了预合成的Fe/Al金属间化合物与Al₂O₃形成复合材料。Fe/Al金属间化合物通过高能球磨机械合金化预合成，也可以通过机械合金化结合气氛保护下的热处理工艺获得。热处理温度为：400～750℃。

本发明的复合材料也可以采用冷压、冷等静压成型和无压烧结工艺。复合材料的烧结除用H₂、N₂保护外，也可在真空炉中进行。

本发明复合材料的主晶相为：α-Al₂O₃,Fe₂Al和FeAl。

本发明的少量添加剂Ce,V,Mo,Cr,Ni,W,TiC,WC,Nb等，可以单独加入，也可以复合加入。用本发明的Al₂O₃基Fe/Al金属间化合物复合材料可以作为刀具、模具等工程材料。