摻雜粉煤灰的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于材料加工制備領(lǐng)域，具體涉及一種摻雜粉煤灰的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料及制備方法。本發(fā)明的粉煤灰摻雜的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料，摻雜有占復(fù)合材料重量1~4.8wt.%的粉煤灰，余量為Fe、Cr、Al和Ni，其中按照重量比，F(xiàn)e：Cr：Al：Ni=90:10：（70~80）：（20~30）；其制備方法是首先按照比例混合粉末進(jìn)行球磨，然后采用CO2激光機(jī)發(fā)射高能激光束點(diǎn)燃?jí)号鞅砻?，引發(fā)壓坯的自蔓延燒結(jié)，生成摻雜粉煤灰的Fe-Al-Cr-Ni基自生陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。本發(fā)明以粉煤灰作為復(fù)合材料的原料不僅解決了污染問(wèn)題同時(shí)大大降低了生產(chǎn)成本，還具有生成效率高，產(chǎn)品的純度高和過(guò)程極短的優(yōu)勢(shì)。
【專利說(shuō)明】摻雜粉煤灰的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-A卜Cr-Ni基復(fù)合材料及制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料加工制備領(lǐng)域，具體涉及一種摻雜粉煤灰的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料及制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]Fe-Cr-Ni系金屬間化合物因其耐腐蝕、高溫強(qiáng)度高和抗氧化等諸多優(yōu)良特性，且不含貴重元素，成本較低在能源、動(dòng)力、化工、航空、航天和機(jī)械等領(lǐng)域內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用前景。由于金屬粉末通過(guò)激光燃燒合成得到金屬的坯件往往硬度和耐磨性低，不能直接滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，因此混粉時(shí)加入一定的合金元素,通過(guò)燃燒合成使基材料內(nèi)部原位生成增強(qiáng)相，與基體一起構(gòu)成復(fù)合材料，合成高硬度高耐磨合金材料將具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]粉煤灰是煤炭應(yīng)用的附屬物，屬于廢棄物，我國(guó)是粉煤灰資源大國(guó)，年排放量在1.6億噸以上，粉煤灰的大量排放會(huì)侵占土地、污染環(huán)境、危害人類健康，對(duì)人們生產(chǎn)和生活造成極大危害，因此急需研發(fā)粉煤灰廢棄物利用研究應(yīng)用領(lǐng)域。粉煤灰成分中含有Al2O3，S12等復(fù)合硬質(zhì)相，可以成為復(fù)合材料制備中的自生顆粒增強(qiáng)相。
[0004]原位自生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和較好的耐磨性，尤其是在高溫時(shí)化學(xué)穩(wěn)定性高具有良好的性能，這充分利用了金屬基復(fù)合材料和陶瓷材料的特點(diǎn)，具有優(yōu)良的綜合性能。是近年來(lái)重點(diǎn)的研究領(lǐng)域之一。利用原位自生法生成的增強(qiáng)相與基體相容性較好，界面干凈、無(wú)污染、粒子相對(duì)細(xì)小，并解決了外加法難以解決的夾雜物、界面反應(yīng)及顆粒與基體之間潤(rùn)濕性等問(wèn)題。
[0005]然而在許多情況下，需要加入Al2O3，S12等硬質(zhì)相進(jìn)行強(qiáng)化，而用傳統(tǒng)的工藝生產(chǎn)Al2O3和S12，通常必須經(jīng)過(guò)合成制備硬質(zhì)相合金一制備成粉末一篩分一混合等工序，生產(chǎn)成本高，工藝冗長(zhǎng)，而如果采取天然礦物廢棄物粉煤灰做為硬質(zhì)顆粒相源，將極大低提高復(fù)合材料的制備工藝周期，并降低成本，不僅為復(fù)合材料的制備提高新途徑，同時(shí)對(duì)有效利用煤礦廢棄物、環(huán)境保護(hù)等都會(huì)有積極的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種摻雜粉煤灰的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料及制備方法，目的是在簡(jiǎn)化工序降低成本的同時(shí)，獲得硬度高韌性好，耐磨性高的復(fù)合材料。
[0007]本發(fā)明的粉煤灰摻雜的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料，摻雜有占復(fù)合材料重量廣4.8wt.%的粉煤灰，余量為Fe、Cr、Al和Ni，其中按照重量比，F(xiàn)e:Cr:A1:Ni=90:10:(70^80):(20^30);其組織物相由 Fe-Al-Cr-Ni 系金屬間化合物 +Al2O3' S12 陶瓷相+Al、Fe及Ni的固溶體物相組成；其平均硬度值為1500HV?1800HV，平均單位面積磨損率為 0.40?0.70mg.mm 2o
[0008]本發(fā)明的摻雜粉煤灰的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行:
(1)首先對(duì)粉煤灰進(jìn)行篩分，保留粒度在200目以上的粉煤灰粉末；將粒度為200目以上的含有10wt%Cr的鐵基粉、鋁粉和鎳粉混合得到原始合金粉末，混合比例按重量比:鐵基粉:鋁粉:鎳粉=100: (7(Γ80): (2(Γ30);再將原始合金粉末和粉煤灰粉末按重量比為100: (Γ5)在球磨機(jī)中球磨混合Γ8小時(shí)，得到混合粉末；
(2)將混合粉末壓制成圓柱形壓坯，然后在大氣下采用CO2激光機(jī)發(fā)射高能激光束點(diǎn)燃?jí)号鞅砻妫す廨敵龉β蕿?000W，激光光斑直徑為015_，激光點(diǎn)燃時(shí)間為15?20s，引發(fā)壓坯的自蔓延燒結(jié)，生成摻雜粉煤灰的Fe-Al-Cr-Ni基自生陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。
[0009]其中，所述的球磨速度為100?200rpm。
[0010]所述的壓坯壓力為70?80KN。
[0011]本發(fā)明基于的原理是:
當(dāng)Fe與Al原子比為3:2時(shí)形成的合金具有B2型的晶體結(jié)構(gòu)，其具有硬度高、耐磨損、耐腐蝕，高溫強(qiáng)度高和抗氧化等諸多優(yōu)良特性，通過(guò)添加適量的Ni到Fe-Al合金中能夠提高NiAl合金的延展性，N1-Fe-Al合金具有熱彈馬氏體相變特性，具有B+C兩相結(jié)構(gòu)，成分多元化，綜合性能更好。本發(fā)明中選用鐵基粉為原料，是因?yàn)槠渲泻?0#?的Cr元素，Cr元素的固溶作用，能夠有效改善合金室溫脆性，提高其塑韌性。
[0012]本發(fā)明的燒結(jié)是以激光為熱源，激光點(diǎn)燃速度快，能量密度高，反應(yīng)速度容易控制，點(diǎn)火安全。在激光燒結(jié)條件下，F(xiàn)e、Al、Ni在高溫反應(yīng)下通過(guò)互擴(kuò)散，主要生成了β -Ni (Fe, Al)和Y-Ni3 (Fe，Al)基體相以及(Al-Fe)4Cr固溶相；此外由于粉煤灰中含有大量的Al2O3和S12，加熱條件下迅速擴(kuò)散到金屬液中并作為金屬凝固時(shí)的異質(zhì)形核核心，有效地強(qiáng)化了基體，粉煤灰中所含雜質(zhì)對(duì)反應(yīng)物料起到稀釋作用，利用雜質(zhì)的含量控制燃燒合成的蔓延反應(yīng)速度，使其燒結(jié)蔓延反應(yīng)速度控制在1-2mm/s。原位自生的陶瓷相Al2O3和S12，彌散分布在基體中，大幅度提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度及硬度，同時(shí)，陶瓷增強(qiáng)相顆粒間高韌性的Fe-Al-Cr-Ni系金屬間化合物粘結(jié)相又賦予復(fù)合材料一定的韌性。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
(I)粉煤灰是煤炭應(yīng)用的附屬物，屬于廢棄物，我國(guó)是粉煤灰資源大國(guó)，年排放量在1.6億噸以上，粉煤灰的大量排放會(huì)侵占土地、污染環(huán)境、危害人類健康，對(duì)人們生產(chǎn)和生活造成極大危害，因此利用粉煤灰作為制作復(fù)合材料的原料不僅可以解決污染問(wèn)題同時(shí)大大降低了生產(chǎn)成本。
[0014]( 2)本發(fā)明采用激光引燃自蔓延合成方法制備復(fù)合材料，與傳統(tǒng)制備工藝，如粉末冶金法和鑄造法相比，避免了常規(guī)材料復(fù)合方法中的顆粒界面污染問(wèn)題，另外激光點(diǎn)火技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，節(jié)約能源，生成效率高，產(chǎn)品的純度高，過(guò)程極短，是傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為實(shí)施例中所制備的復(fù)合材料的XRD圖；
圖2為實(shí)施例中所制備的復(fù)合材料微觀掃描電鏡金相圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明實(shí)施例中采用的粉煤灰中Al2O3和S12總含量超過(guò)83%，余量為雜質(zhì)。
[0017]本發(fā)明實(shí)施例中采用的鐵基粉、鋁粉、鎳粉為普通工業(yè)產(chǎn)品，粒度為200目。
[0018]本發(fā)明實(shí)施例中壓制壓坯的設(shè)備為萬(wàn)能液壓機(jī)。
[0019]本發(fā)明實(shí)施例中采用的CO2激光機(jī)為HL-1500無(wú)氦橫流CO2激光加工機(jī)。
[0020]本發(fā)明實(shí)施例中采用ML-100型磨粒磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金表面耐磨性(磨損時(shí)間5min)o實(shí)驗(yàn)所用砂紙表面磨粒尺寸為40 μ m,載荷為150N,磨損時(shí)間為5min,測(cè)量試樣表面的磨損面積及磨損失重，計(jì)算單位面積磨損率。
[0021]本發(fā)明實(shí)施例中采用采用HV-50型維氏硬度計(jì)測(cè)燒結(jié)合金顯微硬度，載荷20kg，保載時(shí)間10s。在燒結(jié)合金表面上測(cè)試三點(diǎn)，取其平均值即為其硬度值。
[0022]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0023]實(shí)施例1
本發(fā)明的粉煤灰摻雜的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料，摻雜有占復(fù)合材料重量4.8wt.%的粉煤灰，余量為Fe、Cr、Al和Ni，其中按照重量比，F(xiàn)e:Cr:A1:Ni=90:10:70:30 ;其組織物相由Fe-Al-Cr-Ni系金屬間化合物+Al203、Si02陶瓷相+Al、Fe及Ni的固溶體物相組成。
[0024]本發(fā)明的摻雜粉煤灰的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行:
(1)首先對(duì)粉煤灰進(jìn)行篩分，保留粒度在200目以上的粉煤灰粉末；將粒度為200目以上的含有10wt%Cr的鐵基粉、鋁粉和鎳粉混合得到原始合金粉末，混合比例按重量比:鐵基粉:鋁粉:鎳粉=100:70:30 ;再將原始合金粉末和粉煤灰粉末按重量比為100:5在球磨機(jī)中球磨混合4小時(shí)，球磨速度為200rpm，得到混合粉末；
(2)將混合粉末在70KN的壓力下壓制成016mmX1mm的圓柱形壓還，然后在大氣下采用CO2激光機(jī)發(fā)射高能激光束點(diǎn)燃?jí)号鞅砻?，激光輸出功率?000W，激光光斑直徑為015mm，激光點(diǎn)燃時(shí)間為15s，引發(fā)壓坯的自蔓延燒結(jié)，生成摻雜粉煤灰的Fe-Al-Cr-Ni基自生陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，其XRD圖如圖1所示，從圖中可以看出，所制備的復(fù)合材料由Al203、Si02 增強(qiáng)相、β-Ni (Fe，Al)和 Y-Ni3(Fe1Al)基體相以及(Al-Fe)4Cr、Al4CrNi15 固溶相；其微觀掃描電鏡金相圖如圖2所示，從圖2中可以看出，制備的復(fù)合材料微觀組織形貌組織形態(tài)為樹枝狀和網(wǎng)狀，分布均勻彌散，晶粒細(xì)化程度高，組織均勻細(xì)密。
[0025]上述方法獲得的原位自生陶瓷相增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni復(fù)合材料硬度值為1700HV，單位面積磨損率為0.69mg.IffliT2。
[0026]實(shí)施例2
本發(fā)明的粉煤灰摻雜的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料，摻雜有占復(fù)合材料重量3.8wt.%的粉煤灰，余量為Fe、Cr、Al和Ni，其中按照重量比，F(xiàn)e:Cr:A1:Ni=90:10:80:20 ;其組織物相由Fe-Al-Cr-Ni系金屬間化合物+Al203、Si02陶瓷相+Al、Fe及Ni的固溶體物相組成。
[0027]本發(fā)明的摻雜粉煤灰的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行:
(I)首先對(duì)粉煤灰進(jìn)行篩分，保留粒度在200目以上的粉煤灰粉末；將粒度為200目以上的含有10wt%Cr的鐵基粉、鋁粉和鎳粉混合得到原始合金粉末，混合比例按重量比:鐵基粉:招粉:鎳粉=100:80:20 ;再將原始合金粉末和粉煤灰粉末按重量比為100:4在球磨機(jī)中球磨混合8小時(shí)，球磨速度為lOOrpm，得到混合粉末；
(2)將混合粉末在80KN的壓力下壓制成016mmX 1mm的圓柱形壓還，然后在大氣下采用CO2激光機(jī)發(fā)射高能激光束點(diǎn)燃?jí)号鞅砻?，激光輸出功率?000W，激光光斑直徑為015mm，激光點(diǎn)燃時(shí)間為20s，引發(fā)壓坯的自蔓延燒結(jié)，生成摻雜粉煤灰的Fe-Al-Cr-Ni基自生陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，其硬度值為1500HV，單位面積磨損率為0.56mg.mm2。
[0028]實(shí)施例3
本發(fā)明的粉煤灰摻雜的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料，摻雜有占復(fù)合材料重量2.9wt.%的粉煤灰，余量為Fe、Cr、Al和Ni，其中按照重量比，F(xiàn)e:Cr:A1:Ni=90:10:70:20 ;其組織物相由Fe-Al-Cr-Ni系金屬間化合物+Al203、Si02陶瓷相+Al、Fe及Ni的固溶體物相組成。
[0029]本發(fā)明的摻雜粉煤灰的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行:
(1)首先對(duì)粉煤灰進(jìn)行篩分，保留粒度在200目以上的粉煤灰粉末；將粒度為200目以上的含有10wt%Cr的鐵基粉、鋁粉和鎳粉混合得到原始合金粉末，混合比例按重量比:鐵基粉:招粉:鎳粉=100:70:20 ;再將原始合金粉末和粉煤灰粉末按重量比為100:3在球磨機(jī)中球磨混合6小時(shí)，球磨速度為160rpm，得到混合粉末；
(2)將混合粉末在75KN的壓力下壓制成016mmX1mm的圓柱形壓還，然后在大氣下采用CO2激光機(jī)發(fā)射高能激光束點(diǎn)燃?jí)号鞅砻?，激光輸出功率?000W，激光光斑直徑為015mm，激光點(diǎn)燃時(shí)間為18s，引發(fā)壓坯的自蔓延燒結(jié)，生成摻雜粉煤灰的Fe-Al-Cr-Ni基自生陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，其硬度值為1800HV，單位面積磨損率為0.50mg.mm2。
[0030]實(shí)施例4
本發(fā)明的粉煤灰摻雜的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料，摻雜有占復(fù)合材料重量LOwt.%的粉煤灰，余量為Fe、Cr、Al和Ni，其中按照重量比，F(xiàn)e:Cr:A1:Ni=90:10:75:30 ;其組織物相由Fe-Al-Cr-Ni系金屬間化合物+Al203、Si02陶瓷相+Al、Fe及Ni的固溶體物相組成。
[0031]本發(fā)明的摻雜粉煤灰的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行:
(1)首先對(duì)粉煤灰進(jìn)行篩分，保留粒度在200目以上的粉煤灰粉末；將粒度為200目以上的含有10wt%Cr的鐵基粉、鋁粉和鎳粉混合得到原始合金粉末，混合比例按重量比:鐵基粉:招粉:鎳粉=100:75:30 ;再將原始合金粉末和粉煤灰粉末按重量比為100:1在球磨機(jī)中球磨混合5小時(shí)，球磨速度為170rpm，得到混合粉末；
(2)將混合粉末在75KN的壓力下壓制成016mmX1mm的圓柱形壓還，然后在大氣下采用CO2激光機(jī)發(fā)射高能激光束點(diǎn)燃?jí)号鞅砻?，激光輸出功率?000W，激光光斑直徑為015mm，激光點(diǎn)燃時(shí)間為18s，引發(fā)壓坯的自蔓延燒結(jié)，生成摻雜粉煤灰的Fe-Al-Cr-Ni基自生陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，其硬度值為1600HV，單位面積磨損率為0.43mg.mm 2。
【權(quán)利要求】
1.一種摻雜粉煤灰的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料，其特征在于摻雜有占復(fù)合材料重量I?4.8wt.%的粉煤灰，余量為Fe、Cr、Al和Ni，其中按照重量比，F(xiàn)e:Cr:A1:Ni=90:10:(70^80):(20^30);其組織物相由 Fe-Al-Cr-Ni 系金屬間化合物 +Al2O3' S12 陶瓷相+Al、Fe及Ni的固溶體物相組成；其平均硬度值為1500HV?1800HV，平均單位面積磨損率為 0.40?0.70mg.mm 2o
2.—種權(quán)利要求1所述的摻雜粉煤灰的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行: (1)首先對(duì)粉煤灰進(jìn)行篩分，保留粒度在200目以上的粉煤灰粉末；將粒度為200目以上的含有10wt%Cr的鐵基粉、鋁粉和鎳粉混合得到原始合金粉末，混合比例按重量比:鐵基粉:鋁粉:鎳粉=100: (7(Γ80): (2(Γ30);再將原始合金粉末和粉煤灰粉末按重量比為100: (Γ5)在球磨機(jī)中球磨混合Γ8小時(shí)，得到混合粉末； (2)將混合粉末壓制成圓柱形壓坯，然后在大氣下采用CO2激光機(jī)發(fā)射高能激光束點(diǎn)燃?jí)号鞅砻?，激光輸出功率?000W，激光光斑直徑為015_，激光點(diǎn)燃時(shí)間為15?20s，引發(fā)壓坯的自蔓延燒結(jié)，生成摻雜粉煤灰的Fe-Al-Cr-Ni基自生陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種摻雜粉煤灰的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的球磨速度為lOOlOOrpm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種摻雜粉煤灰的自生陶瓷顆粒增強(qiáng)Fe-Al-Cr-Ni基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的壓坯壓力為7(Γ80ΚΝ。
【文檔編號(hào)】C22C30/00GK104233036SQ201410509897
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】李剛, 劉靜, 胡文全, 王妍 申請(qǐng)人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)