專利名稱：一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基復(fù)合材料的激光燒結(jié)合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基復(fù)合材料的激光燒結(jié)合成方法。
背景技術(shù)：
激光具有單色性、相干性、方向性和高能量密度等特點(diǎn)，作為燃燒合成的熱源具有易控制、非接觸、無污染、加熱及冷卻速率高、易于獲得非平衡相及多缺陷的結(jié)構(gòu)、易合成具有某些特殊功能材料等優(yōu)勢(shì)特性，因而廣泛用于金屬基復(fù)合材料的加工。激光誘導(dǎo)自蔓延高溫合成技術(shù)是利用激光的高能密度透過特定的介質(zhì)(窗口)將待合成材料點(diǎn)燃，然后靠合成反應(yīng)放出的潛熱維持自蔓延，最終獲得所需的材料。激光自蔓延燒結(jié)的主要特點(diǎn)有O明顯的節(jié)能效果，充分利用了原料的化學(xué)反應(yīng)熱來供應(yīng)后續(xù)反應(yīng)所需要的熱量；2)可達(dá)到很高的反應(yīng)溫度，瞬間溫度可以達(dá)到3000-4000°C，是制備特殊高溫材料的有效方法；3)由于反應(yīng)溫度高，在反應(yīng)過程中一些氣化溫度較低的材料會(huì)揮發(fā)，從而可以達(dá)到純化產(chǎn)物 的目的；4)工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)點(diǎn)火后可以自持續(xù)進(jìn)行；5)產(chǎn)品中極有可能出現(xiàn)非平衡相或亞穩(wěn)相，因而產(chǎn)品活性高，易于燒結(jié)。目前，由于金屬基復(fù)合材料其具有熔點(diǎn)高、密度低、熱傳導(dǎo)性良好、比強(qiáng)度高、抗氧化性高等一系列的優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于制造高溫結(jié)構(gòu)基體材料，特別是在航空航天領(lǐng)域、汽車工業(yè)、模具領(lǐng)域、軋輥領(lǐng)域以及制造功能梯度零件方面的應(yīng)用。引入金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體強(qiáng)化的方法包括外部引入增強(qiáng)體和原位自生增強(qiáng)體兩大類，現(xiàn)有的制備鎳鋁基復(fù)合材料通常采用的方法有燃燒合成法、快速凝固法、噴霧沉積、粉末冶金法、反應(yīng)熔滲、機(jī)械合金化、噴射成形法等。這些方法在制備過程中都經(jīng)歷了增強(qiáng)體的外加混合過程，屬于部引入增強(qiáng)體，而這一過程必然會(huì)導(dǎo)致一定程度的顆粒表面污染，并且增強(qiáng)體多為顆?；虻诙嘤操|(zhì)點(diǎn)，因此存在界面結(jié)合不佳，且存在增強(qiáng)體加入困難以及工藝復(fù)雜、成本昂貴和增強(qiáng)體易偏聚等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)常規(guī)鎳鋁基復(fù)合材料在制備技術(shù)上存在的不足，提供一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基復(fù)合材料的激光燒結(jié)合成方法，通過在基體上原位自生形成陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基體，獲得綜合性能更優(yōu)秀的復(fù)合材料。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案按照以下步驟進(jìn)行
(1)將鎳粉、招粉按照原子比Ni: Al=3:1混合,并加入鎳招混合粉總質(zhì)量O. 5-2wt%的鶴精礦石粉末，然后裝入球磨罐中置于球磨機(jī)上球磨4-6h，球磨速度100-200rpm，球磨后獲得混合均勻的混合粉料；
(2)采用具有圓柱形型腔的壓坯模具，將混合粉料置于型腔內(nèi)，利用壓桿在60-80KN的壓力下壓制成圓柱形壓還，壓還高度為12-18mm,相對(duì)密度為88% ；
(3)將壓坯置于數(shù)控機(jī)床上，數(shù)控機(jī)床和CO2激光加工機(jī)相連，調(diào)整數(shù)控機(jī)床主軸，使得激光束垂直照射時(shí)光斑直徑和壓坯直徑相同，啟動(dòng)CO2激光加工機(jī)，激光功率為900-1200W，激光照射時(shí)間為l(T20s，將壓坯表面點(diǎn)燃并使其發(fā)生自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)速度為5-8mm/s，待壓坯自然冷卻，即得到激光燒結(jié)合成的陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基復(fù)合材料。所述的鎳粉純度為99. 9wt %，粒度為200目；鋁粉的純度為99. 9 wt %，粒度為200目；鎢精礦石粉末含WO3 80wt%，余量為雜質(zhì)。采用上述方法獲得的陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基復(fù)合材料組織物相為Ni3Al金屬間化合物、Ni4W及Al2O3陶瓷相、Ni和Al的固溶體物相，其硬度為600-750HK，耐磨性是一般冶金方法獲得的NiAl金屬間化合物的I. 5-2倍。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)和有益效果是
本發(fā)明的原理是以高能量密度激光為熱源，快速點(diǎn)燃?jí)号?，利用壓坯?nèi)自身放出的高能量引燃整個(gè)壓坯反應(yīng)，且反應(yīng)過程和速度容易控制，點(diǎn)燃后利用熔融鋁的強(qiáng)還原性能直接還原鎢礦石粉末中的WO3,生成單質(zhì)W，高溫下的單質(zhì)W和余量的Ni發(fā)生反應(yīng)生成Ni4W相， 而熔融的Al在毛細(xì)力作用下迅速擴(kuò)展，包圍新生成的Ni4W相，使其不能聚集長(zhǎng)大，從而得到細(xì)小的WC顆粒并且彌散分布于基體中，其作為α-Al凝固時(shí)的異質(zhì)形核核心，起到了強(qiáng)化基體的作用，而分布在基體表面的Al利用大氣中的氧生成另一種增強(qiáng)陶瓷相=Al2O3相。鎢精礦粉經(jīng)過鋁熱還原反應(yīng)出來的鎢元素是原位自生納米級(jí)復(fù)相陶瓷增強(qiáng)顆粒組元，對(duì)基體的硬度和耐磨有積極貢獻(xiàn)，其中的雜質(zhì)為礦石中常見的雜質(zhì)元素，如P含量約為0.4 wt %，S含量約為0.3 丨％等，這些雜質(zhì)元素及其夾雜物不參與反應(yīng)，可以做為控制自蔓延燃燒合成速度的稀釋劑，當(dāng)加入鎢礦石粉末后，由于其雜質(zhì)元素及其夾雜物不參與反應(yīng)，對(duì)反應(yīng)物料起到稀釋作用，因此可以通過加入鎢精礦石粉末含量來控制壓坯的自蔓延反應(yīng)速度，使其自蔓延燃燒合成速度控制在6-8mm/s。上述激光誘導(dǎo)的自蔓延反應(yīng)化學(xué)方程式為
金屬間化合物反應(yīng)3Ni+Al=Ni3Al (I);
Al 熱還原反應(yīng) W03+2A1+=W+A1203 (2)；
自生陶瓷相反應(yīng)W+4Ni=Ni4W (3)；
原位自生合成復(fù)合材料由于增強(qiáng)顆粒是在基體內(nèi)原位生成的，所以形成清潔、無氧化的反應(yīng)界面，顆粒分布更為均勻，同時(shí)生成成本低，通用性好，并能形成高致密度的復(fù)合材料，原位自生的陶瓷相Ni4W和Al2O3彌散分布在基體中，大幅度提高了復(fù)合材料的硬度及強(qiáng)度，同時(shí)，陶瓷增強(qiáng)相Ni4W和Al2O3間高韌性的鎳鋁固溶體及其生成的Ni3Al金屬間化合物讓復(fù)合材料具有一定的韌性，在航空航天、汽車工業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、活塞、輪機(jī)等中高溫領(lǐng)域中有著廣闊應(yīng)用前景，極大程度地豐富了 NiAl基復(fù)合材料的制備工藝。本發(fā)明的合成方法實(shí)現(xiàn)了在一種基體上同時(shí)生成兩種以上的陶瓷增強(qiáng)相，其制備工藝先進(jìn)，過程簡(jiǎn)單，粉末利用率高，制造過程自蔓延合成速度能夠通過加入鎢精礦石粉末的多少來控制，生成過程沒有界面污染，鎳鋁基體和原位生成的增強(qiáng)顆粒之間結(jié)合牢固，增強(qiáng)相尺寸相對(duì)細(xì)小，分布均勻，材料的綜合性能得到了提高。本發(fā)明將原位自蔓延燃燒合成技術(shù)、礦物加工、粉末冶金結(jié)合在一起，使基體自身的反應(yīng)和增強(qiáng)相的生成以及金屬基復(fù)合材料的制備結(jié)合在一起，明顯縮短了鎳鋁基復(fù)合材料的制備工藝流程，降低其制備成本，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，正是由于原位自生的增強(qiáng)陶瓷相使得鎳鋁金屬間化合物的高溫力學(xué)性能能得到了明顯的改善與提高。


圖I為本發(fā)明的壓坯模具示意 其中，I :脫豐旲座；2 :陰豐旲；3 :壓桿；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例I制備的陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基復(fù)合材料的微觀組織SEM圖譜，放大倍數(shù)為2000倍；
其中，基體組織為Ni3Al金屬間化合物相和NiAl固溶體，白色突出條狀和樹枝狀為Ni4W及Al2O3陶瓷相；
圖3為本發(fā)明陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)自蔓延燒結(jié)過程照片； 其中，(a)是壓坯燒結(jié)前；(b)是激光誘導(dǎo)壓坯發(fā)生自蔓延反應(yīng)；(c)是反應(yīng)完成。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例中采用粉末材料參數(shù)為鎢精礦石粉末含W03_80%wt%，其余為雜質(zhì)，雜質(zhì)穩(wěn)定不與壓坯粉末發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；鎳粉200目，純度99% ;鋁粉200目，純度99%。本發(fā)明實(shí)施例球磨采用的是星型球磨機(jī)。本發(fā)明實(shí)施例采用的激光機(jī)為為HL-1500型無氦橫流CO2激光加工機(jī)，數(shù)控機(jī)床型號(hào)為PX1-SIE。本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)鎳鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試是在WE-30型液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。實(shí)施例I
(1)將鎳粉、招粉按照原子比Ni: Al=3:1混合,并加入鎳招混合粉總質(zhì)量O. 5wt%的鶴精礦石粉末，然后裝入球磨罐中置于球磨機(jī)上球磨4h，球磨速度IOOrpm，球磨后獲得混合均勻的混合粉料；
(2)采用如圖I所示，具有圓柱形型腔的壓坯模具，由脫模座和陰模組成，將混合粉料置于型腔內(nèi)，利用壓桿在60KN的壓力下壓制成圓柱形壓坯，壓坯高度為12_，相對(duì)密度為88% ；
(3)將壓坯置于數(shù)控機(jī)床上，數(shù)控機(jī)床和CO2激光加工機(jī)相連，調(diào)整數(shù)控機(jī)床主軸，使得激光束垂直照射時(shí)光斑直徑和壓坯直徑相同，啟動(dòng)CO2激光加工機(jī)，激光功率為900W，激光照射時(shí)間為20s，如圖3所示，將壓坯表面點(diǎn)燃并使其發(fā)生自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)速度為5mm/s，待壓坯自然冷卻，即得到激光燒結(jié)合成的陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基復(fù)合材料。獲得的鎳鋁復(fù)合材料平均硬度620HK，相對(duì)耐磨性I. 3。獲得的復(fù)合材料組織為條狀和樹枝狀組織NiAl金屬間化合物相+基體NiAl固溶體+ Ni4W及Al2O3陶瓷顆粒相,如圖2所示。實(shí)施例2
(1)將鎳粉、招粉按照原子比Ni:A1=3:1混合,并加入鎳招混合粉總質(zhì)量lwt%的鶴精礦石粉末，然后裝入球磨罐中置于球磨機(jī)上球磨5h，球磨速度150rpm，球磨后獲得混合均勻的混合粉料；
(2)采用如圖I所示，具有圓柱形型腔的壓坯模具，包括脫模座和陰模，將混合粉料置于型腔內(nèi)，利用壓桿在70KN的壓力下壓制成圓柱形壓坯，壓坯高度為15_，相對(duì)密度為88% ；
(3)將壓坯置于數(shù)控機(jī)床上，數(shù)控機(jī)床和CO2激光加工機(jī)相連，調(diào)整數(shù)控機(jī)床主軸，使得激光束垂直照射時(shí)光斑直徑和壓坯直徑相同，啟動(dòng)CO2激光加工機(jī)，激光功率為1100W,激光照射時(shí)間為12s，如圖3所示，將壓坯表面點(diǎn)燃并使其發(fā)生自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)速度為7mm/s，待壓坯自然冷卻，即得到激光燒結(jié)合成的陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基復(fù)合材料。獲得的鎳鋁復(fù)合材料平均硬度700HK，相對(duì)耐磨性I. 8。獲得的復(fù)合材料組織為條狀和樹枝狀組織NiAl金屬間化合物相+基體NiAl固溶體+ Ni4W及Al2O3陶瓷顆粒相。實(shí)施例3
(1)將鎳粉、招粉按照原子比Ni:A1=3:1混合,并加入鎳招混合粉總質(zhì)量2wt%的鶴精礦 石粉末，然后裝入球磨罐中置于球磨機(jī)上球磨6h，球磨速度200rpm，球磨后獲得混合均勻的混合粉料；
(2)采用如圖I所示，具有圓柱形型腔的壓坯模具，包括脫模座和陰模，將混合粉料置于型腔內(nèi)，利用壓桿在80KN的壓力下壓制成圓柱形壓坯，壓坯高度為18mm，相對(duì)密度為88% ；
(3)將壓坯置于數(shù)控機(jī)床上，數(shù)控機(jī)床和CO2激光加工機(jī)相連，調(diào)整數(shù)控機(jī)床主軸，使得激光束垂直照射時(shí)光斑直徑和壓坯直徑相同，啟動(dòng)CO2激光加工機(jī)，激光功率為1200W，激光照射時(shí)間為10s，如圖3所示，將壓坯表面點(diǎn)燃并使其發(fā)生自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)速度為8mm/s，待壓坯自然冷卻，即得到激光燒結(jié)合成的陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基復(fù)合材料。獲得的鎳鋁復(fù)合材料平均硬度750HK，相對(duì)耐磨性2. 2。獲得的復(fù)合材料組織為條狀和樹枝狀組織NiAl金屬間化合物相+基體NiAl固溶體+ Ni4W及Al2O3陶瓷顆粒相。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基復(fù)合材料的激光燒結(jié)合成方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行 (1)將鎳粉、招粉按照原子比Ni: Al=3:1混合,并加入鎳招混合粉總質(zhì)量O. 5-2wt%的鶴精礦石粉末，然后裝入球磨罐中置于球磨機(jī)上球磨4-6h，球磨速度100-200rpm，球磨后獲得混合均勻的混合粉料； (2)采用具有圓柱形型腔的壓坯模具，將混合粉料置于型腔內(nèi)，利用壓桿在60-80KN的壓力下壓制成圓柱形壓還，壓還高度為12-18mm,相對(duì)密度為88% ； (3)將壓坯置于數(shù)控機(jī)床上，數(shù)控機(jī)床和CO2激光加工機(jī)相連，調(diào)整數(shù)控機(jī)床主軸，使得激光束垂直照射時(shí)光斑直徑和壓坯直徑相同，啟動(dòng)CO2激光加工機(jī)，激光功率為900-1200W，激光照射時(shí)間為l(T20s，將壓坯表面點(diǎn)燃并使其發(fā)生自蔓延反應(yīng)，反應(yīng)速度為5-8mm/s，待壓坯自然冷卻，即得到鎳鋁基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基復(fù)合材料的激光燒結(jié)合成方法，其特征在于所述的鎳粉純度為99. 9wt %，粒度為200目；鋁粉的純度為99. 9 wt %，粒度為200目；鎢精礦石粉末含WO3 80wt%，余量為雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基復(fù)合材料的激光燒結(jié)合成方法。本發(fā)明的技術(shù)方案步驟是將鎳粉、鋁粉按照原子比Ni:Al=3:1混合，并加入鎳鋁混合粉總質(zhì)量0.5-2wt%的鎢精礦石粉末，進(jìn)行球磨獲得混合均勻的混合粉料，將混合粉料壓制成圓柱形壓坯，將壓坯置于數(shù)控機(jī)床上，啟動(dòng)CO2激光加工機(jī)，激光功率為900-1200W，激光照射時(shí)間為10~20s，將壓坯表面點(diǎn)燃并使其發(fā)生自蔓延反應(yīng)，得到激光燒結(jié)合成的陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明使基體自身的反應(yīng)和增強(qiáng)相的生成以及金屬基復(fù)合材料的制備結(jié)合在一起，由于原位自生的增強(qiáng)陶瓷相使得鎳鋁金屬間化合物的高溫力學(xué)性能能得到了明顯的改善與提高。
文檔編號(hào)C22C19/03GK102876926SQ20121036899
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者李剛, 胡文全, 安亞君, 羅崇輝 申請(qǐng)人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)