激光燃烧合成原位自生陶瓷颗粒增强铁铝基复合材料的方法

摘要

一种激光燃烧合成原位自生陶瓷颗粒增强铁铝基复合材料的方法，属于材料技术领域，按以下步骤进行：将钨矿石粉、铁粉、铝粉和碳粉置于球磨机中球磨获得混合粉料；将混合粉料压制成压坯，采用CO

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种激光燃烧合成原位自生陶瓷颗粒增强铁铝基复合材料的方法。

背景技术

近年来金属基复合材料MMCs(Metal Matrix Composites)以其高比强度、比模量、耐高温、耐磨损等特殊性能，引起了世界各国的高度重视；其中颗粒增强的金属基复合材料，因其具有增强体成本低，材料性能各向同性，制造成本低，可大规模生产，并可借用传统的金属加工工艺进行加工等诸多优点，而成为MMCs发展的主要方向之一。按增强体的来源可分为外部引入增强体和原位自生增强体两类；外部引入增强体强化的金属基复合材料的制备方法很多，研究的也很成熟，主要包括挤压铸造法、搅拌铸造等；这些方法的不足之处在于存在增强体与基体之间润湿性不好、增强体污染、结合不良或界面脆化等问题。

为了进一步提高增强体与基体之间的润湿性，增大界面结合强度，保护增强体免受基体合金液的侵蚀，提高金属基复合材料的性能，必须寻找合适原位反应合成方法产生增强体。与外加颗粒复合法相比，原位自生复合法具有如下特点：(1)增强颗粒是在金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，材料中基体与增强体材料间的相容性好，界面稳定、结合牢固，特别当增强材料与基体有共格或半共格关系时，能非常有效的传递应力，使材料的综合力学性能优异；(2)省去了增强颗粒单独制备过程，工艺可控性强，且降低工艺成本，提高产品性价比；(3)合成的增强体颗粒细小，且分布均匀，对金属基的强化效果较好。

原位合成法代表性的工艺有：Lanxid定向氧化法、XD法、SHS高温自蔓延合成法以及液相反应自生法；其中SHS高温自蔓延合成技术已成为人们研究的热点，如武汉工业大学与美国燃烧合成协会主席Munir教授合作开展复合材料方面的研究，与俄罗斯科学院结构宏观动力学与材料科学研究所Merzhanov院士合作建立了中俄SHS技术联合研究中心，开展梯度材料、涂层技术、SHS基础理论等方面的研究。但是SHS技术的缺点在于其机理研究的难度极大，这是由于燃烧反应的温度极高且速度极快，燃烧温度一般在1500℃以上，热爆燃烧合成中反应瞬间完成，自蔓延燃烧合成中燃烧波扩展速率在1～150mm/s范围，此时反应物的温升速度高达10⁴～10⁵K/s，要捕捉在如此高温和如此快速条件下所发生的相转变及显微组织转变过程的信息是极为因难的。

激光具有单色性，相干性，方向性和高能量密度等特性。作为热源进行的燃烧合成，具有其独特的优点：无接触、无污染、易控制、加热及冷却速率高，易于获得非平衡相及多缺陷的结构，对于合成某些功能材料具有特殊优势。由于激光功率易测，其具体加在反应物上的能量易于计算，便于进行热力学及动力学分析。因此如何采用激光自蔓延燃烧合技术成是目前金属基复合材料研究中急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有铁铝基复合材料在制备技术上存在的问题，提供一种激光燃烧合成原位自生陶瓷颗粒增强铁铝基复合材料的方法，通过在基体上原位燃烧形成陶瓷颗粒增强铁铝相，获得综合性能更好的复合材料。

本发明的方法按以下步骤进行：

1、将粒度在200目以下的钨矿石粉、铁粉、铝粉和碳粉混合，混合比例按重量比为铁粉∶钨矿石粉∶铝粉∶碳粉＝80∶0.3～1.0∶18～19∶0.5～1.2，然后置于球磨机中混合4～8h，球磨速度100～200rpm，获得混合粉料。

2、将混合粉料在400～600MPa压力条件下压制成压坯，压坯厚度15～25mm。

3、采用CO₂激光加工机发射高能激光束点燃压坯表面，引发压坯自蔓延烧结，生成原位自生陶瓷颗粒增强铁铝基复合材料，激光输出功率为550～650W，激光点燃时间为10～25s。

上述方法中自蔓延烧结的反应速度为3～4mm/s。

上述的原位自生陶瓷颗粒增强铁铝基复合材料硬度为100～200HB，相对耐磨性为1.5～2。

上述反应的方程式为：

WO₃+2Al+C＝WC+Al₂O₃----(还原W及自生陶瓷相反应)

Fe+Al＝FeAl-------(金属间化合物反应)

上述方法获得的复合材料组织物相由FeAl金属间化合物+WC及Al₂O₃陶瓷相+Al及Fe的固溶体物相组成。

本发明的原理是：以激光为热源，激光点燃速度快，能量密度高，反应速度容易控制，点火安全；以铝为还原剂，直接还原钨矿石粉末中的WO₃，并在C粉的作用下碳化生成WC；熔融的Al阻碍WC颗粒的聚集长大，细小的WC颗粒弥散分布于熔体中，并作为α-Al凝固时的异质形核核心，有效地强化了基体，同时利用大气中的氧生成另一种陶瓷增强相Al₂O₃。采用带有杂质的钨矿石粉末，通过调整钨精矿石粉末含量及激光工艺参数控制蔓延反应速度；其中钨矿石粉末中的杂质由于不参与化合而对反应物料起到稀释作用，利用杂质的含量控制燃烧合成的蔓延反应速度，使其烧结蔓延反应速度控制在3～4mm/s。原位自生的陶瓷相WC、Al₂O₃弥散分布在基体中，大幅度提高了复合材料的强度及硬度，同时，陶瓷增强相颗粒间高韧性的铝铁固溶体及金属间化合物又赋予复合材料一定的韧性，在航空航天结构件、发动机活塞机轮等中高温领域中有着广阔应用前景，极大地扩展了Fe-Al基复合材料的制备方法。

本发明的方法在一种基体上同时生成两种陶瓷颗粒增强相，制备手段先进，原料利用率高，增强颗粒生长可控、尺寸细小分布均匀，且在基体中原位生成，与铁铝合金基体形成的界面结合牢固，提高材料的综合性能。本发明将矿物加工、粉末冶金，原位自蔓延燃烧合成技术结合在一起，使基体合金的熔炼和颗粒的生成以及金属基复合材料的制备同步进行，明显缩短了复合材料的制备工艺流程、降低了材料制备成本，易于进行大规模生产和应用。通过陶瓷颗粒增强，使铁铝金属间化合物的高温力学性能能得到改善与提高。

附图说明

图1为本发明实施例1的原位自生陶瓷颗粒增强铁铝基复合材料微观金相组织SEM图。

具体实施方式

本发明实施例中采用的CO₂激光加工机为HL-1500型无氦横流CO₂激光加工机。

本发明实施例中采用的钨矿石粉含WO₃70～80％wt％，其余为杂质；采用的铁粉纯度99wt％、铝粉纯度99wt％，碳粉纯度98wt％，上述物料粒度均在200目以下。

本发明实施例中球磨采用星型球磨机，球磨速度为100-200rpm，时间4-8小时。

本发明实施例中压制成的合金块尺寸为直径16mm的圆柱体。

本发明实施例中压制压坯的设备为万能液压机。

本发明实施例中耐磨性测试采用MM-200摩擦磨损试验机，测试失重并与冶金烧结FeAl合金相对比，得出相对耐磨性。

实施例1

将粒度均在200目以下钨矿石粉、铁粉、铝粉和碳粉混合，混合比例按重量比为铁粉∶钨矿石粉∶铝粉∶碳粉＝80∶0.3∶18∶1.2，然后置于球磨机中混合4h，球磨速度200rpm，获得混合粉料。

将混合粉料在400MPa压力条件下压制成压坯，压坯厚度25mm。

采用CO₂激光加工机发射高能激光束点燃压坯表面，引发压坯自蔓延烧结，反应速度为3mm/s，生成原位自生陶瓷颗粒增强铁铝基复合材料，激光输出功率为550W，激光点燃时间为25s。

自生陶瓷颗粒增强铁铝基复合材料微观金相组织SEM图如图1所示。

获得的复合材料平均硬度110HB，以冶金烧结FeAl合金比较，相对耐磨性1.5。

获得的复合材料组织为枝晶组织FeAl金属间化合物相+基体FeAl固溶体+WC及Al₂O₃陶瓷颗粒相。

实施例2

将粒度均在200目以下钨矿石粉、铁粉、铝粉和碳粉混合，混合比例按重量比为铁粉∶钨矿石粉∶铝粉∶碳粉＝80∶0.6∶18.5∶0.9，然后置于球磨机中混合6h，球磨速度150rpm，获得混合粉料。

将混合粉料在500MPa压力条件下压制成压坯，压坯厚度20mm。

采用CO₂激光加工机发射高能激光束点燃压坯表面，引发压坯自蔓延烧结，反应速度为4mm/s，生成原位自生陶瓷颗粒增强铁铝基复合材料，激光输出功率为600W，激光点燃时间为20s。

获得的复合材料平均硬度160HB，以冶金烧结FeAl合金比较，相对耐磨性1.8。

获得的复合材料组织为枝晶组织FeAl金属间化合物相+基体FeAl固溶体+WC及Al₂O₃陶瓷颗粒相。

实施例3

将粒度均在200目以下钨矿石粉、铁粉、铝粉和碳粉混合，混合比例按重量比为铁粉∶钨矿石粉∶铝粉∶碳粉＝80∶1.0∶19∶1.2，然后置于球磨机中混合8h，球磨速度100rpm，获得混合粉料。

将混合粉料在600MPa压力条件下压制成压坯，压坯厚度15mm。

采用CO₂激光加工机发射高能激光束点燃压坯表面，引发压坯自蔓延烧结，反应速度为3mm/s，生成原位自生陶瓷颗粒增强铁铝基复合材料，激光输出功率为650W，激光点燃时间为10s。

获得的复合材料平均硬度110HB，以冶金烧结FeAl合金比较，相对耐磨性2。

获得的复合材料组织为枝晶组织FeAl金属间化合物相+基体FeAl固溶体+WC及Al₂O₃陶瓷颗粒相。