專利名稱：一種Fe₃Al-Al₂O₃復合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Fe3Al金屬間化合物基復合材料制備方法，具體涉及一種機械合 金化_等離子活化燒結(jié)成形制備Fe3Al-Al2O3復合材料的方法。
背景技術(shù)：
Fe3Al金屬間化合物因具有優(yōu)異的高溫腐蝕抗力，并且不含貴重金屬元素，被譽 為“窮人用的不銹鋼”。然而Fe3Al金屬間化合物室溫拉伸塑性較低、可加工性能差， 限制了其作為結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)生產(chǎn)中的大規(guī)模應用。從拓展金屬間化合物應用領(lǐng)域的角 度出發(fā)，在載荷為壓應力的磨損工況下，材料的拉伸塑性與硬度、韌性和加工硬化能力 相比成為次要性能指標，因此在摩擦磨損工況下，發(fā)揮Fe3Al優(yōu)異高溫腐蝕抗力方面的優(yōu) 勢，把其應用于冶金、機械、石油化工、汽車以及航空航天等寬溫域復雜氣氛耐磨材料 領(lǐng)域，有望為Fe3Al金屬間化合物的工業(yè)化應用打開一扇希望之窗。但是，F(xiàn)e3Al金屬間化合物具有室溫脆性和600°C以上急劇下降的高溫強度的缺 點，在耐磨材料中，硬度和韌性是影響材料磨損抗力和服役安全性的重要因素。因此， 如何在不降低其韌性的的條件下提高Fe3Al金屬間化合物的硬度是其應用的關(guān)鍵。在 Fe3Al金屬間化合物基體中加入連續(xù)或非連續(xù)的增強相，可提高基體的比強度和比模量， 阻止裂紋在基體中的擴散。當裂紋遇到增強體時，裂紋沿基體界面?zhèn)鞑?，改變基體的擴 散方向，增加擴展強度，提高材料的斷裂能。Al2O3陶瓷顆粒具有較高的硬度和優(yōu)異的高 溫穩(wěn)定性，Al2O3與Fe3Al金屬間化合物有良好的界面物理、化學相容性，是Fe3Al金屬 間化合物基復合材料研制中最常用的增強相材料。Hawk和D.E.Alman的研究結(jié)果表明 通過加入陶瓷相硬質(zhì)顆粒使Fe3Al金屬間化合物的耐磨性得到顯著提高，但顆粒增強金屬 間化合物基復合材料在提高室溫和高溫強度的同時，并不能使塑性、韌性也得到提高， 這不利于復合材料綜合性能的提高。薛烽等采用熔鑄法制備Al2O3(摩爾分數(shù)為5% )增 強Fe3Al基復合材料，Al2O3顆粒在Fe3Al中有很好的化學穩(wěn)定性，與基體相比復合材料在 600°C屈服強度提高35%，700°C屈服強度提高26%，但室溫延伸率比基體下降33%。機械合金化技術(shù)(Mechanical Alloying，ΜΑ)是指金屬或合金粉末在高能球磨 條件下，粉末顆粒在磨球沖擊碰撞和碾壓作用下產(chǎn)生強烈塑性變形，缺陷密度劇烈增 加，顆粒和亞結(jié)構(gòu)不斷細化，導致元素粉末原子間相互擴散或發(fā)生固態(tài)反應而最終達到 原子級混合而獲得超細晶甚至納米晶合金粉末的制備技術(shù)。而等離子活化燒結(jié)(Plasma activated sintering, PAS),也稱之為放電等離子燒結(jié)(Spark plasma sintering，SPS)，是近 年來發(fā)展起來的一種新型粉末冶金技術(shù)，它具有燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短等特點，有利 于保持預合金粉末的超細結(jié)構(gòu)。因此，可用來制備Fe3Al-Al2O3復合材料。而傳統(tǒng)的加工 工藝，包括鑄造、熱壓燒結(jié)以及粉末冶金等，都難以得到高致密超細晶塊體材料，如何 保證球磨后粉末的納米尺寸特征及阻止晶粒長大尤為重要；而采用MA-PAS制備方法， 但采用添加Al2O3粉末法制備的Fe3Al-Al2O3復合材料中，當Al2O3含量大于5%后，致密 度和顯微硬度下降，使Al2O3含量受限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高純度且Al2O3質(zhì)量分數(shù)在15-44%的細晶Fe3Al-Al2O3 復合材料的制備方法，采用機械合金過程中自蔓延反應生成Al2O3，再通過等離子活化燒 結(jié)得到復合材料，以解決現(xiàn)有工藝添加Al2O3含量過大后使材料致密度和顯微硬度下降的 缺陷。為了達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的一種Fe3Al-Al2O3復合材料的制備方法，其特征在于，包括下述步驟(1)按質(zhì)量分數(shù)稱取 24-69% Fe2O3 粉、20-31% Al 粉和 0-57% Fe 粉。(2)按料磨球=1 10的質(zhì)量比將上述原料粉末裝入抽真空并充入氬氣的球 磨罐中進行機械合金化球磨至少50h，使Fe2O3粉和Al粉發(fā)生自蔓延反應生成Al2O3和Fe 粉，F(xiàn)e粉和Al粉在球磨過程中形成Fe(Al)固溶體，得Al2O3粉和Fe (Al)固溶體的混合 物；(3)將機械合金化球磨后的Al2O3粉和Fe (Al)固溶體的混合物填入石墨模具中， 通過等離子活化燒結(jié)即形成所需的塊體復合材料，其中，燒結(jié)溫度為1000-1200°C，燒結(jié) 壓力為30MPa。上述方法中，所述步驟(2)中，球磨罐和磨球采用lCrl8Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)，磨 球直徑為10mm。所述步驟(3)中，等離子活化燒結(jié)過程為，真空度為10_16Pa，等離子 活化Imin后以2°C/s的升溫速率升溫至燒結(jié)溫度并保溫3min，然后快速冷卻至室溫，冷 卻速率1°C /s。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是1、本發(fā)明Al2O3增強相是在機械合金化過程中發(fā)生自蔓延反應生成，增強相顆 粒表面無污染，與基體結(jié)合較其他方法更好，分布更均勻。2、在機械合金化過程中根據(jù)Fe粉的添加來調(diào)節(jié)Fe3Al-Al2O3復合材料中Al2O3的 質(zhì)量分數(shù)。所以制備的Fe3Al-Al2O3復合材料中，Al2O3質(zhì)量分數(shù)可達15-44%。3、在機械合金化過程中Fe粉和Al粉形成均勻過飽和Fe (Al)固溶體，避免了熔 鑄工藝中成分偏析所造成的性能不均勻性以及Fe、Al元素粉末直接混合進行燒結(jié)時，因 Fe、Al的擴散差導致燒結(jié)體膨脹而無法致密化的缺點，可得致密性能均勻的Fe3Al燒結(jié) 體。4、將機械合金化技術(shù)與等離子活化燒結(jié)技術(shù)相結(jié)合(MA-PAS)，研制的新型金 屬間化合物基復合材料可解決金屬間化合物室溫脆性和600°C以上急劇下降的高溫強度的 缺陷。


圖1是實施例1機械合金化后Al2O3和Fe(Al)固溶體混合物的掃描電鏡照片。圖2是實施例1等離子活化燒結(jié)后塊體復合材料掃描電鏡照片。圖3是實施例3機械合金化后Al2O3和Fe(Al)固溶體混合物的掃描電鏡照片。圖4是實施例3等離子活化燒結(jié)后塊體復合材料掃描電鏡照片。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖及優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，應當理解，此處所 描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。實施例1按原料質(zhì)量分數(shù)Fe203 69.0%、A131.0%稱取純度99%的Fe2O3粉27.6g和純度 99%的Al粉12.4g放入不銹鋼球磨罐中，加入直徑為IOmm的不銹鋼磨球400g，球磨前 需用O型密封圈密封后對球磨罐抽真空并充入氬氣，在轉(zhuǎn)速為250r · min1和球磨時間為 60h下進行混合球磨，制得混合物粉末成分為(質(zhì)量百分數(shù))Al2O3 44%，F(xiàn)e(Al)固溶 體56%。從圖1可看出，所得Fe-Al固溶體和Al2O3的混合粉末為均勻的混合物。稱取按實施例1制取的混合物粉末30g，裝入高強度石墨模具，在日本住友石炭 礦業(yè)株式會社生產(chǎn)等離子活化燒結(jié)爐(Ed-PAS-III)中進行燒結(jié)。主要燒結(jié)工藝參數(shù)為 燒結(jié)壓力30MPa，真空度為16Pa，等離子活化時間Imin后以2°C /s的升溫速率升溫至 1200°C并保溫3min，然后快速冷卻至室溫，冷卻速率大約1°C/s。燒結(jié)體經(jīng)過機械切割加工成一定尺寸，按照實驗拋光的具體操作，首先在砂 紙上磨光后，再在拋光機上進行拋光，為了更好的觀察顯微組織，采用20%的硝酸 酒精對拋光后試樣的表面進行腐蝕，腐蝕時間大約為Imin左右，處理后的試樣采用 Hitachi5-2500掃描電鏡對其微觀組織形貌進行觀察。圖2為實施例1制得復合材料塊體 的背散射掃描電鏡照片，F(xiàn)e3Al為連續(xù)的基體相，而Al2O3為非連續(xù)相，且分布較均勻。 還可看出，Al2O3顆粒大小處于某一范圍內(nèi)，大顆粒直徑約為5μιη，小顆粒則為亞微米 級(< 1 μ m)。其致密度經(jīng)測試為90.2%，硬度為71.8HRC。實施例2按原料質(zhì)量分數(shù)Fe2O3 47.1%、Al 25.6%和Fe 27.3%稱取純度99%的Fe2O3粉 18.8g、純度99%的Al粉10.3g和純度99%的Fe粉10.9g放入不銹鋼球磨罐中，加入直 徑為IOmm的不銹鋼磨球400g，球磨前需用O型密封圈密封后對球磨罐抽真空并充入氬 氣，在轉(zhuǎn)速為250r · miiT1和球磨時間為55h下進行混合球磨，制得混合物粉末成分為 (質(zhì)量百分數(shù))Al2O3 30%，F(xiàn)e(Al)固溶體70%。稱取按實施例2制取的混合物粉末30g，裝入高強度石墨模具，在日本住友石炭 礦業(yè)株式會社生產(chǎn)等離子活化燒結(jié)爐(Ed-PAS-III)中進行燒結(jié)。主要燒結(jié)工藝參數(shù)為 燒結(jié)壓力30MPa，真空度為15Pa，等離子活化時間Imin后以2°C /s的升溫速率升溫至 1100°C并保溫3min，然后快速冷卻至室溫，冷卻速率大約1°C/s。燒結(jié)體致密度經(jīng)測試 為 94.3%，硬度為 60.1HRC。實施例3按原料質(zhì)量分數(shù)Fe2O3 31.5%, Al 21.5%和Fe 47.0%稱取純度99%的Fe2O3粉 12.6g、純度99%的Al粉8.6g和純度99%的Fe粉18.8g放入不銹鋼球磨罐中，加入直徑為 IOmm的不銹鋼磨球400g，球磨前需用O型密封圈密封后對球磨罐抽真空并充入氬氣， 在轉(zhuǎn)速為250r ^miiT1和球磨時間為55h下進行混合球磨，制得混合物粉末成分為(質(zhì)量 百分數(shù))Al203 20%，F(xiàn)e(Al)固溶體80%。從圖3可看出，所得Fe-Al固溶體和Al2O3 的混合粉體為均勻的混合物。稱取按實施例2制取的混合物粉末30g，裝入高強度石墨模具，在日本住友石炭
5礦業(yè)株式會社生產(chǎn)等離子活化燒結(jié)爐(Ed-PAS-III)中進行燒結(jié)。主要燒結(jié)工藝參數(shù)為 燒結(jié)壓力30MPa，真空度為13Pa，等離子活化時間Imin后以2°C /s的升溫速率升溫至 1100°C并保溫3min，然后快速冷卻至室溫，冷卻速率大約1°C/s。燒結(jié)體經(jīng)過機械切割加工成一定尺寸，按照實驗拋光的具體操作，首先在砂 紙上磨光后，再在拋光機上進行拋光，為了更好的觀察顯微組織，采用20%的硝酸 酒精對拋光后試樣的表面進行腐蝕，腐蝕時間大約為Imin左右，處理后的試樣采用 Hitachi5-2500掃描電鏡對其微觀組織形貌進行觀察。圖4為實施例3制得復合材料塊體 的背散射掃描電鏡照片，F(xiàn)e3Al為連續(xù)的基體相，而Al2O3為非連續(xù)相，且分布較均勻。 還可看出，Al2O3顆粒大小處于某一范圍內(nèi)，大顆粒直徑約為5μιη，小顆粒則為亞微米 級(<lym)，該試樣的組織致密性較高，沒有明顯的孔洞出現(xiàn)。其致密度經(jīng)測試為 98.6%,硬度為 55.2HRC。實施例4按原料質(zhì)量分數(shù)Fe2O3 23 %、Al 20%和Fe 57%稱取純度99%的Fe2O3粉 9.2g、純度99%的Al粉8.0g和純度99%的Fe粉22.8g放入不銹鋼球磨罐中，加入直徑為 IOmm的不銹鋼磨球400g，球磨前需用O型密封圈密封后對球磨罐抽真空并充入氬氣， 在轉(zhuǎn)速為250r ^miiT1和球磨時間為50h下進行混合球磨，制得混合物粉末成分為(質(zhì)量 百分數(shù))Al2O3 15%, Fe(Al)固溶體 85%。稱取按實施例2制取的混合物粉末30g，裝入高強度石墨模具，在日本住友石炭 礦業(yè)株式會社生產(chǎn)等離子活化燒結(jié)爐(Ed-PAS-III)中進行燒結(jié)。主要燒結(jié)工藝參數(shù)為 燒結(jié)壓力30MPa，真空度為lOPa，等離子活化時間Imin后以2°C /s的升溫速率升溫至 1000°C并保溫3min，然后快速冷卻至室溫，冷卻速率大約1°C/s。燒結(jié)體致密度經(jīng)測試 % 99.1%,硬度為 56.8HRC。
權(quán)利要求
1.一種Fe3Al-Al2O3復合材料的制備方法，其特征在于，包括下述步驟(1)按質(zhì)量分數(shù)稱取23-69%Fe2O3粉、21-31% Al粉和0-57% Fe粉；(2)按料磨球=1 10的質(zhì)量比將上述原料粉末裝入抽真空并充入氬氣的球磨罐中 進行機械合金化球磨至少50h，使Fe2O3粉和Al粉發(fā)生自蔓延反應生成Al2O3和Fe粉， Fe粉和Al粉在球磨過程中形成Fe(Al)固溶體，得Fe (Al)固溶體和Al2O3的混合物；(3)將機械合金化球磨后的Fe(Al)固溶體和Al2O3的混合物填入石墨模具中，通過等 離子活化燒結(jié)即形成所需的塊體復合材料，其中，燒結(jié)溫度為1000-1200°C，燒結(jié)壓力為 30MPa。
2.如權(quán)利要求1所述的Fe3Al-Al2O3復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2) 中，球磨罐和磨球采用lCrl8Ni9Ti不銹鋼材質(zhì)，磨球直徑為10mm。
3.如權(quán)利要求1所述的Fe3Al-Al2O3復合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(3) 中，等離子活化燒結(jié)條件為，真空度為10-16Pa，等離子活化Imin后以2°C/s的升溫速 率升溫至燒結(jié)溫度并保溫3min，然后快速冷卻至室溫，冷卻速率1°C/S。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Fe3Al-Al2O3復合材料的制備方法，其步驟是(1)按質(zhì)量分數(shù)稱取23-69％Fe2O3粉、21-31％Al粉和0-57％Fe粉，進行機械合金化，(2)控制機械合金化工藝，使Fe2O3粉和Al粉發(fā)生自蔓延反應生成Al2O3和Fe粉，F(xiàn)e粉和Al粉在球磨過程中形成Fe(Al)固溶體，得Al2O3和Fe(Al)固溶體的混合物，(3)將機械合金化球磨后的Al2O3和Fe(Al)固溶體的混合物填入石墨模具中，通過等離子活化燒結(jié)即形成所需的塊體復合材料。本制備方法可獲得Al2O3質(zhì)量分數(shù)在15-44％的細晶Fe3Al-Al2O3復合材料，是一種制備過程時間短、所得產(chǎn)品純度高、致密性好、成本低的Fe3Al-Al2O3復合材料的機械合金化-等離子燒結(jié)成形制備方法。
文檔編號C22C38/06GK102021473SQ20101059164
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者吳昊亮, 王建, 白亞平, 邢建東 申請人:西安交通大學