激光燃烧合成原位自生陶瓷相增强Al-Cu基复合材料的方法

摘要

一种激光燃烧合成原位自生陶瓷相增强Al-Cu基复合材料的方法，属于材料技术领域，按以下步骤进行：将钨精矿粉碎获得钨精矿粉；将铝粉、铜粉和碳粉混合制成原始合金粉末，再将钨精矿粉和原始合金粉末在球磨机中球磨混合，获得混合粉末；将混合粉末材料压制成压坯，然后发射高能激光束点燃压坯表面，引发压坯自蔓延烧结，生成原位自生陶瓷相增强Al-Cu基复合材料。本发明采用激光点燃燃烧合成Al-Cu基铝热反应原位自生WC，并利用掺杂物相进行燃烧蔓延速度控制，同时有效的避免了增强相颗粒表面污染，省去了复杂的工序，加工周期短，成本低，节省能源。

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相增强Al-Cu基复合材料的方法。

背景技术

目前，制备复合材料通常采用的制备方法是粉末冶金法和铸造法，这样在制备过程中都经历了增强相的外加混合过程，而这一过程不可避免地会存在一定程度的颗粒表面污染，如化合、氧化、油污等，并且颗粒增强相大都是第二相硬质点，颗粒比较粗大，因而存在界面结合问题，并存在着增强相加入的困难(尤其是微细粒子在基体内均匀、弥散分布)及工艺复杂、成本昂贵和增强体易偏聚等缺点，从而影响颗粒与基体的界面结合和材料的整体综合力学性能，如复合材料的硬度、耐磨性等。

激光燃烧合成技术是近年来发展起来的引起材料界和工程界广泛重视的新的材料合成与复合技术，这种方法避免了常规材料复合方法中的颗粒界面污染问题.所以成为合成与制备金属陶瓷复合材料的重要方向之一；其制造工艺过程包括：金属粉末混合均匀→压制成型→激光燃烧合成。由于金属粉末通过激光燃烧合成得到金属的形坯件往往硬度和耐磨性低，不能直接应用于实际生产需求；因此混粉时加入一定的合金元素，通过燃烧合成使基材料内部原位生成增强相，与基体一起构成复合材料。然而在许多情况下，需要加入WC等硬质相进行强化，而用传统的工艺从黑钨精矿或白钨精矿生产碳化钨，通常必须经过仲钨酸铵生产、钨粉制备和碳化等许多工序，生产成本高，工艺冗长。

发明内容

本发明的目的是针对上述燃烧合成复合材料制备工艺上的问题，提供一种激光燃烧合成原位自生陶瓷相增强Al-Cu基复合材料的方法，通过掺杂的W0₃直接被还原，原位自生陶瓷增强相WC，同时生成另一种增强相Al₂O₃，在简化工序的同时，获得硬度高韧性好，表面耐磨性高的复合材料。

本发明的方法按以下步骤进行：

1、将钨精矿粉碎至粒度在100目以下，获得钨精矿粉；将粒度为200目以下的铝粉、铜粉和碳粉混合制成原始合金粉末，混合比例按重量比为铝粉∶铜粉∶碳粉＝100∶40～60∶2～4；再将钨精矿粉和原始合金粉末在球磨机中球磨混合4～8小时，球磨速度为100～200rpm，钨精矿与合金粉末的混合比例按重量比为合金粉末∶钨精矿粉＝100∶1～5，获得混合粉末。

2、将混合粉末材料以50～70KN压力压制成厚度为10～25mm的压坯，然后在大气下采用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，生成原位自生陶瓷相增强Al-Cu基复合材料；激光输出功率为650～850W，激光点燃时间为20～30s。

上述方法中，自蔓延烧结的反应速度为1～2mm/s。

上述自蔓延烧结的反应方程式为：

WO₃+2Al+C＝WC+Al₂O₃---(钨精矿还原反应方程式及原位自生WC陶瓷颗粒反应式)

Al+Cu＝AlCu-----(AlCu固溶体反应方程式)

2Al+Cu＝Al₂Cu-----(金属间化合物反应式)

4Al+3O₂＝2Al₂O₃--------(自生陶瓷强化颗粒相反应式)

上述方法获得的原位自生陶瓷相增强Al-Cu基复合材料平均硬度值为360～410HK，相对耐磨性1.7～2.6。

上述方法获得的复合材料的组织物相由AlCu金属间化合物+WC及Al₂O₃陶瓷相+Al及Cu的固溶体物相组成；颗粒强化相的面积百分数为4.7～6.7％。

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，直接还原钨精矿石粉末中的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。采用带有杂质的钨精矿石粉末，通过调整激光工艺参数控制蔓延反应速度；其中钨精矿石粉末中的杂质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l～2mm/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铜基粘结相又赋予复合材料一定的韧性，在航空航天结构件、发动机活塞机轮等领域中有着广阔应用前景，极大地扩展了Al-Cu基复合材料的制备方法。

本发明采用激光点燃燃烧合成Al-Cu基铝热反应原位自生WC，并利用掺杂物相进行燃烧蔓延速度控制，同时有效的避免了增强相颗粒表面污染，省去了复杂的工序，加工周期短，成本低，节省能源；制备的复合材料具有硬度高，韧性好，表面耐磨性高的优点。

附图说明

图1为本发明实施例中的原位自生陶瓷相增强Al-Cu基复合材料微观金相组织SEM图谱，图中，鱼骨状组织为Al₂Cu相，白色颗粒相为WC及Al₂O₃陶瓷颗粒，低衬度相为AlCu固溶体。

图2为图1的局部放大图。

具体实施方式

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

本发明实施例中采用的钨精矿含WO₃70～80wt％，余量为杂质。

本发明实施例中采用的铝粉、铜粉和碳粉为普通工业产品；碳粉的纯度大于98wt％。

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

将钨精矿粉碎至粒度在100目以下，获得钨精矿粉；将粒度为200目以下的铝粉、铜粉和碳粉混合制成原始合金粉末，混合比例按重量比为铝粉∶铜粉∶碳粉＝100∶40∶2；再将钨精矿粉和原始合金粉末在球磨机中球磨混合4小时，球磨速度为200rpm，钨精矿与合金粉末的混合比例按重量比为合金粉末∶钨精矿粉＝100∶5，获得混合粉末。

将混合粉末材料以50KN压力压制成厚度为25mm的压坯，然后在大气下采用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，自蔓延烧结的反应速度为1mm/s，生成原位自生陶瓷相增强Al-Cu基复合材料；激光输出功率为650W，激光点燃时间为30s。

获得的原位自生陶瓷相增强Al-Cu基复合材料的微观金相组织SEM图如图1和图2所示，其中鱼骨状组织为Al₂Cu相，白色颗粒相为WC及Al₂O₃陶瓷颗粒，低衬度相为AlCu固溶体。

获得的复合材料平均硬度380HK，以冶金烧结FeAl合金比较，相对耐磨性2.4。

获得的复合材料中，颗粒强化相面积百分数为5.7％。

实施例2

将钨精矿粉碎至粒度在100目以下，获得钨精矿粉；将粒度为200目以下的铝粉、铜粉和碳粉混合制成原始合金粉末，混合比例按重量比为铝粉∶铜粉∶碳粉＝100∶50∶3；再将钨精矿粉和原始合金粉末在球磨机中球磨混合5小时，球磨速度为160rpm，钨精矿与合金粉末的混合比例按重量比为合金粉末∶钨精矿粉＝100∶1，获得混合粉末。

将混合粉末材料以60KN压力压制成厚度为10mm的压坯，然后在大气下采用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，自蔓延烧结的反应速度为2mm/s，生成原位自生陶瓷相增强Al-Cu基复合材料；激光输出功率为700W，激光点燃时间为30s。

获得的复合材料平均硬度410HK，以冶金烧结FeAl合金比较，相对耐磨性2.6。

获得的复合材料中，颗粒强化相面积百分数为6.7％。

实施例3

将钨精矿粉碎至粒度在100目以下，获得钨精矿粉；将粒度为200目以下的铝粉、铜粉和碳粉混合制成原始合金粉末，混合比例按重量比为铝粉∶铜粉∶碳粉＝100∶60∶4；再将钨精矿粉和原始合金粉末在球磨机中球磨混合6小时，球磨速度为120rpm，钨精矿与合金粉末的混合比例按重量比为合金粉末∶钨精矿粉＝100∶3，获得混合粉末。

将混合粉末材料以70KN压力压制成厚度为15mm的压坯，然后在大气下采用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，自蔓延烧结的反应速度为1mm/s，生成原位自生陶瓷相增强Al-Cu基复合材料；激光输出功率为750W，激光点燃时间为25s。

获得的复合材料平均硬度360HK，以冶金烧结FeAl合金比较，相对耐磨性1.7。

获得的复合材料中，颗粒强化相面积百分数为4.7％。

实施例4

将钨精矿粉碎至粒度在100目以下，获得钨精矿粉；将粒度为200目以下的铝粉、铜粉和碳粉混合制成原始合金粉末，混合比例按重量比为铝粉∶铜粉∶碳粉＝100∶50∶3；再将钨精矿粉和原始合金粉末在球磨机中球磨混合8小时，球磨速度为100rpm，钨精矿与合金粉末的混合比例按重量比为合金粉末∶钨精矿粉＝100∶4，获得混合粉末。

将混合粉末材料以60KN压力压制成厚度为20mm的压坯，然后在大气下采用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，自蔓延烧结的反应速度为2mm/s，生成原位自生陶瓷相增强Al-Cu基复合材料；激光输出功率为850W，激光点燃时间为20s。

获得的复合材料平均硬度380HK，以冶金烧结FeAl合金比较，相对耐磨性1.9。

获得的复合材料中，颗粒强化相面积百分数为5％。