專利名稱：一種鎳鋁基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明敘述了一種鎳鋁基復(fù)合材料的制備方法，具體地講，本發(fā)明敘述了一種通過分層自蔓延方法在低溫低壓下制備Ni3Al-Cr7C3復(fù)合材料的制備方法。
Ni3Al金屬間化合物是一種具有重要應(yīng)用前景的高溫結(jié)構(gòu)材料，同時其在一些與磨損緊密相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價值，例如氣蝕磨損及250-550℃之間的滑動磨損中。但是，Ni3Al材料的室溫抗磨損性能及力學(xué)性能較差，從而大大限制了該材料的應(yīng)用。采用傳統(tǒng)工藝如粉末冶金加熱壓或加熱等靜壓可制備Ni3Al基復(fù)合材料，但這些方法制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能及耐磨性能并沒有比其基體得到明顯的提高。利用傳統(tǒng)的自蔓延合成技術(shù)將硬質(zhì)相引入Ni3Al金屬間化合物中也可獲得Ni3Al基復(fù)合材料。此方法制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能及耐磨性能比其基體有明顯的提高，為該材料的實際應(yīng)用帶來了希望。但這些此技術(shù)中增強相或生成增強相所需的反應(yīng)物在反應(yīng)物料中的預(yù)先加入稀釋了基體合成反應(yīng)，因而必須采用高溫(1000℃以上)熱爆加高壓(20MPa以上)的方法或在較高預(yù)熱溫度(600℃以上)和高壓(20MPa以上)下才能合成致密的Ni3Al基復(fù)合材料，材料制備成本較高，大大限制了該技術(shù)的實際應(yīng)用。“一種碳鋼表面耐磨涂層制備工藝”(申請?zhí)?7123407.8)，僅敘述了碳化鉻增強的Ni3Al基復(fù)合材料涂層的制備方法。
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用分層自蔓延方法在低溫低壓下制備Cr7C3增強的Ni3Al金屬間化合物整體復(fù)合材料。從而形成了一種工藝簡單，所需設(shè)備簡單，成本低廉，生產(chǎn)周期短的整體Ni3Al基復(fù)合材料的制各方法。
在配方上，本發(fā)明選用鎳鋁金屬間化合物為復(fù)合材料的基體，加入適量的碳化鉻作為增強相，依靠金屬間化合物基體保證復(fù)合材料的力學(xué)性能，依靠增強相提高材料的耐磨性與力學(xué)性能。
在工藝上，本發(fā)明采用了分層自蔓延反應(yīng)方法，利用了化學(xué)反應(yīng)所釋放的高熱量及反應(yīng)產(chǎn)物間的密度差迅速完成了具有高純度的基體材料和增強相的生成，同時完成了增強相與基體的均勻混合，通過通入氣體加壓，提高了復(fù)合材料的致密度及改善了材料的微觀組織。
本發(fā)明的具體制備過程是按選定的化學(xué)反應(yīng)式(1)、(2)的化學(xué)計量比分別稱取鎳，鋁粉料；三氧化二鉻，三氧化鉻，活性碳，鋁粉狀反應(yīng)物；并分別將兩種反應(yīng)物料在球磨機中混合5-8小時。將Cr-C系列反應(yīng)物料，Ni-Al反應(yīng)物料按由上到下的順序堆放于模具中應(yīng)用20MPa壓力壓為反應(yīng)胚體。卸壓脫模，獲得物料胚體。將物料胚體置于在反應(yīng)容器中，用氬氣吹掃反應(yīng)容器，將物料胚體加熱至250℃，并在此溫度下保溫0.5-1小時。然后從容器中排出從反應(yīng)物料表面脫附的氣體，再通入3MPa氬氣，以對反應(yīng)后的產(chǎn)物進行壓實，將物料胚體繼續(xù)加熱至300℃，并在此溫度下通過引燃劑引發(fā)反應(yīng)。該引燃劑是由硫酸鹽，鎂粉，錳酸鹽組成的混合物，其中硫酸鹽，鎂粉，錳酸鹽的重量百分比為2∶1∶3，該混合物可在300℃下發(fā)生反應(yīng)并放出大量的瞬時熱量。復(fù)合材料隨反應(yīng)容器冷卻至室溫，至室溫后從反應(yīng)容器中取出復(fù)合材料，將材料表面雜質(zhì)去除(主要是Al2O3相)。經(jīng)觀察，分析，獲得了純度高，微觀組織致密良好，增強相均勻分布的Ni3Al-Cr7C3復(fù)合材料。
(1)(2)本發(fā)明的Ni3Al-Cr7C3復(fù)合材料各組分的最佳含量是(重量百分比)Ni:61.9～72.3,Al:9.5～11.1,Cr:15.2～26.0,C:1.5～2.5。
為了更好地理解本發(fā)明通過附圖進行說明附

圖1為反應(yīng)器及反應(yīng)物的堆放形式示意圖壓力表-1，加熱爐-2，坩鍋-3，引燃劑-4，反應(yīng)物-5，反應(yīng)容器-6，進氣口-7，出氣口-8，溫度控制系統(tǒng)-9。
本發(fā)明利用分層自蔓延反應(yīng)方法制備Ni3Al-Cr7C3復(fù)合材料?？稍谳^寬范圍內(nèi)調(diào)整各組元的配比，以調(diào)整材料的綜合性能，通過改變Cr7C3的含量來控制材料的力學(xué)性能及耐磨性能。材料的密度列于表1，顯微硬度和磨損率列于表2。
材料密度是利用排水法在精度為0.2mg的光學(xué)天平上測定的。由表可看出復(fù)合材料的實際密度是其理論密度的99％，該復(fù)合材料有良好的致密性。
硬度AVKSHI MVK-1硬度計上測定的，載荷15N，加載速度0.03mm/sec，加載持續(xù)時間30s。在同一條件下測定的Ni3Al金屬間化合物的硬度為3.30GPa。由此可知復(fù)合材料的硬度比其基體有了大幅的提高。
磨損實驗是在球-盤式SRV微動摩擦磨損實驗機上進行的，盤為本發(fā)明的復(fù)合材料，尺寸為Φ24×8毫米，對偶為Φ10毫米GCr15鋼球。用液體石臘油進行潤滑，載荷250N，振幅1mm，頻率25Hz，運轉(zhuǎn)時間30分鐘，在相同條件下測定的GCr15軸承鋼的磨損率為17.4×10-1 7米3/牛頓·米，Ni3Al金屬間化合物的磨損率為33.5×10-17米3/牛頓·米。與表2中的數(shù)據(jù)對比可得出本發(fā)明的復(fù)合材料的磨損率比軸承鋼降低4-7倍，比其基體降低8-15倍。
表1.本發(fā)明的復(fù)合材料的密度
表2．本發(fā)明的復(fù)合材料的硬度及磨損率
另外，本發(fā)明的材料性能的離散度不大于5％，說明材料性能的重現(xiàn)性是好的，材料的純度高，微觀結(jié)構(gòu)致密均勻，增強相與基體的聯(lián)結(jié)良好。
實施例1按表2的配方稱取鎳、鋁、三氧化二鉻、三氧化鉻、活性碳、鋁各組元，將兩個反應(yīng)方程式對應(yīng)的反應(yīng)物分別在球磨機中混合8小時。按鉻-碳反應(yīng)物料，鎳-鋁反應(yīng)物料由上向下的順序堆放于金屬模具中，以20MPa的壓力壓實，卸壓脫模，制得反應(yīng)物料胚體。將物料胚體置于反應(yīng)容器中，用氬氣吹掃容器后，升溫至250℃，并在此溫度保持1小時。然后將反應(yīng)容器繼續(xù)升溫至300℃，并通入3MPa氬氣，在此溫度通過引燃劑引發(fā)反應(yīng)引燃劑是由硫酸鹽，鎂粉，錳酸鹽組成的混合物，其中硫酸鹽，鎂粉，錳酸鹽的重量百分比為2∶1∶3。反應(yīng)完成后所制備的材料隨反應(yīng)容器冷卻至室溫，將表面雜質(zhì)手工去除，制得Ni3Al-Cr7C3復(fù)合材料。其中Cr7C3含量為23.07％，Ni3Al含量為76.923％，硬度5.15GPa，磨損率2.80×10-17(米3/牛頓·米)。
實施例2按配方鎳57.48，鋁8.96，三氧化二鉻5.06，三氧化鉻16.67，活性碳1.2，鋁10.70。材料中Cr7C3含量為16.67％,Ni3Al含量為83.33％，其它制備過程及工藝同實施例1，硬度4.34GPa，磨損率4.27×10-17(米3/牛頓·米)。
實施例3按配方鎳53.39，鋁8.32，三氧化二鉻5.85，三氧化鉻19.24，活性碳1.38，鋁11.70。材料中Cr7C3含量20.00％,Ni3Al含量為80.00％，其它制備過程及工藝同實施例1，硬度4.58GPa，磨損率3.7×10-17(米3/牛頓·米)。
實施例4按配方鎳46.27，鋁5.94，三氧化二鉻7.09，三氧化鉻23.33，活性碳1.68，鋁16.28。材料中Cr7C3含量為25.93％,Ni3Al含量為74.07％，其它制備過程及工藝同實施例1，硬度5.40GPa，磨損率2.64×10-17(米3/牛頓·米)。
實施例5按配方鎳43.38，鋁6.76，三氧化二鉻7.60，三氧化鉻25.00，活性碳1.80，鋁16.10。材料中Cr7C3含量為28.57％,Ni3Al含量為71.43％，其它制備過程及工藝同實施例1，硬度5.67GPa，磨損率2.56×10-17(米3/牛頓·米)。
表權(quán)利要求
1.一種鎳鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于(1)、按選定的化學(xué)反應(yīng)式(1)、(2)的化學(xué)計量比分別稱取鎳，鋁粉料；三氧化二鉻，三氧化鉻，活性碳，鋁粉狀反應(yīng)物；并分別將兩種反應(yīng)物料在球磨機中混合5-8小時；(1)(2)(2)將Cr-C系列反應(yīng)物料，Ni-Al反應(yīng)物料按由上到下的順序堆放于模具中應(yīng)用20MPa壓力壓為反應(yīng)胚體，卸壓脫模，獲得物料胚體；(3)將物料胚體置于在反應(yīng)容器中，用氬氣吹掃反應(yīng)容器，將物料胚體加熱至250℃，并在此溫度下保溫0.5-1小時；然后從容器中排出從反應(yīng)物料表面脫附的氣體，再通入3MPa氬氣，以對反應(yīng)后的產(chǎn)物進行壓實，將物料胚體繼續(xù)加熱至300℃，在此溫度下通過引燃劑引發(fā)反應(yīng)，引燃劑是由硫酸鹽，鎂粉，錳酸鹽組成的混合物，其中硫酸鹽，鎂粉，錳酸鹽的重量百分比為2∶1∶3。
2.如權(quán)利要求書1所述的制備方法，其特征在于復(fù)合材料的具體配方如下重量百分數(shù)含量Ni61.9～72.3Al9.5～11.1Cr15.2～26.0C 1.5～2.全文摘要
本發(fā)明提供了一種鎳鋁基復(fù)合材料的制備方法。通過選用特定的化學(xué)反應(yīng)及其反應(yīng)物料的有序分層堆放,在低溫(300℃)低壓下(3MPa)應(yīng)用分層自蔓延技術(shù)制備了Ni
文檔編號C22C1/04GK1229858SQ9812572
公開日1999年9月29日 申請日期1998年12月11日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月11日
發(fā)明者喇培清, 薛群基, 劉維民, 楊生榮 申請人:中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所