專利名稱：一種梯度金屬陶瓷復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于無機材料制備技術領域，特別涉及梯度金屬陶瓷復合材料及其制備方法。
背景技術：
金屬陶瓷是金屬相與陶瓷相共同組成的一種復合材料，它具有高硬度、高強度、高韌性和優良的耐磨性，在工業上有著廣泛的應用。梯度金屬陶瓷，是指成分與性能沿某一方向呈梯度變化的金屬陶瓷。梯度金屬陶瓷中，金屬含量較高的一側，具有較好的韌性和較強的塑性變形能力，陶瓷含量較高的一側，具有較高的硬度和優良的耐磨性。梯度金屬陶瓷，可通過粉末冶金、焊接等方法制備。用這兩種方法制備的梯度金屬陶瓷，難以形成連續梯度，不同成分區域之間存在界面。界面附近常會有應力集中或者氣孔、裂紋等缺陷，嚴重損害材料的力學性能。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種梯度金屬陶瓷復合材料。本發明的目的之二是提供一種梯度金屬陶瓷復合材料的制備方法。本發明的梯度金屬陶瓷復合材料是由FeNiCr/NiAl金屬相和TiC/TiB2陶瓷相共同組成，且沿縱向厚度方向，所述的梯度金屬陶瓷復合材料中的FeNiCr/NiAl金屬相與 TiCAiB2陶瓷相的含量呈連續梯度變化，一側的表面為FeNiCr/NiAl金屬相，另一側的表面為FeNiCr/NiAl/TiC/TiB2金屬陶瓷相，且所述另一側的表面中的TiC/TiB2陶瓷相的體積分數為體積分數< 100%。所述的FeNiCr/NiAl金屬相中的FeNiCr形成三維網狀編織結構，嵌入在三維網狀編織結構中的NiAl晶粒的平均晶粒尺寸為50 lOOnm。本發明的梯度金屬陶瓷復合材料是利用高放熱燃燒反應，原位合成金屬熔體與陶瓷顆粒，并在超重力場作用下，使陶瓷顆粒在金屬熔體中形成梯度分布，冷卻凝固之后，得到梯度金屬陶瓷復合材料。本發明的梯度金屬陶瓷復合材料的制備方法包括以下步驟(I)配制反應劑以Al、Fe203、Ni0、Cr203、Ti、C和CB4的粉末為原料，將上述粉末原料混合均勻并充分干燥，制得反應劑；其中，反應劑中各粉末原料之間的摩爾比為Al Fe2O3 NiO Cr2O3 = (2. 3+2x) I O. 3 x，x = O. I O. 3 ;Ti C CB4 = (l+3y) I y，y = O. 5 I ;Al、Fe203、Ni0和Cr2O3的質量總和在反應劑中所占的質量百分數為50 80% ;(2)超重力場中燃燒合成將步驟(I)配制好的反應劑壓制成孔隙率為45 65%的粉末壓坯后裝入石墨坩堝，并置于超重力場中，以電熱點火方式誘發反應劑之間發生劇烈燃燒反應；反應完成后， 得到的產物自然分離為兩層，上層為氧化鋁，下層為梯度金屬陶瓷復合材料，剝離上層的氧化鋁，得到所述的梯度金屬陶瓷復合材料。所述的超重力場是通過高速離心產生，其加速度為10000 50000m2/s。本發明的有益效果是(I)本發明的梯度金屬陶瓷復合材料中的FeNiCr/NiAl金屬相與TiC/TiB2陶瓷相的含量呈連續梯度變化，沒有明顯的界面以及氣孔、裂紋等缺陷；其中所述的TiC/TiB2陶瓷相不是通過原料直接添加，而是由燃燒反應原位生成，因此在金屬基體中分布非常均勻 ’另外，該梯度金屬陶瓷復合材料中的FeNiCr/NiAl金屬相與TiC/TiB2陶瓷相的含量的梯度變化很大，兩側成分差異顯著，一側的表面為FeNiCr/NiAl金屬相，不含陶瓷相，另一側的表面以TiC/TiB2陶瓷相為主，其體積分數為93%<體積分數< 100%。(2)本發明的梯度金屬陶瓷復合材料的耐磨性比市售的同類金屬陶瓷復合材料有大幅度提聞(如表I所不)。(3)本發明的制備方法中所采用的超重力場的加速度高達10000 50000m2/s，可以制備出具有很大成分梯度的金屬陶瓷復合材料。
具體實施例方式為了更好地理解本發明，下面結合具體實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明不應視為僅僅局限于下面的實施例。實施例I.以Al、Fe203、Ni0、Cr203、Ti、C和CB4粉末為原料，將上述粉末原料混合均勻并充分干燥，制得反應劑；其中，反應劑中各粉末原料之間的摩爾比為Al Fe2O3 NiO Cr2O3 = 2. 7 : I : O. 3 : O. 2 ;Ti : C : CB4 = 2. 5 : I : O. 5。 Al、Fe203、Ni0和Cr2O3的質量總和在反應劑中所占的質量百分數為70%。將配制好的反應劑壓制成孔隙率為50%的粉末壓坯后裝入石墨坩堝，并置于加速度為10000m2/S的超重力場中，以電熱點火方式誘發反應劑之間發生劇烈燃燒反應；反應完成后，得到的產物自然分離為兩層，上層為氧化鋁，下層為梯度金屬陶瓷復合材料，剝離上層的氧化鋁，得到梯度金屬陶瓷復合材料。得到的梯度金屬陶瓷復合材料是由FeNiCr/NiAl金屬相和TiC/TiB2陶瓷相共同組成，且沿縱向厚度方向，所述的梯度金屬陶瓷復合材料中的FeNiCr/NiAl金屬相與 TiCAiB2陶瓷相的含量呈連續梯度變化；所述的梯度金屬陶瓷復合材料的一側的表面為 FeNiCr/NiAl金屬相，其中所述的FeNiCr/NiAl金屬相中的FeNiCr形成三維網狀編織結構，嵌入在三維網狀編織結構中的NiAl晶粒的平均晶粒尺寸為85nm ;所述的梯度金屬陶瓷復合材料的另一側的表面為FeNiCr/NiAl/TiC/TiB2金屬陶瓷相，且所述另一側的表面中的 TiCAiB2陶瓷相的體積分數為93%。表I是本實施例中所得到的梯度金屬陶瓷復合材料與市售的同類金屬陶瓷復合材料的耐磨性能比較。表I
權利要求
1.一種梯度金屬陶瓷復合材料，其特征是，所述的梯度金屬陶瓷復合材料是由 FeNiCr/NiAl金屬相和11(/1182陶瓷相共同組成，且沿縱向厚度方向，所述的梯度金屬陶瓷復合材料中的FeNiCr/NiAl金屬相與TiC/TiB2陶瓷相的含量呈連續梯度變化，一側的表面為FeNiCr/NiAl金屬相，另一側的表面為FeNiCr/NiAl/TiC/TiB2金屬陶瓷相，且所述另一側的表面中的TiC/TiB2陶瓷相的體積分數為體積分數< 100%。
2.根據權利要求I所述的梯度金屬陶瓷復合材料，其特征是，所述的FeNiCr/NiAl金屬相中的FeNiCr形成三維網狀編織結構，嵌入在三維網狀編織結構中的NiAl晶粒的平均晶粒尺寸為50 lOOnm。
3.一種根據權利要求I或2所述的梯度金屬陶瓷復合材料的制備方法，其特征是，所述的制備方法包括以下步驟(1)配制反應劑以Al、Fe203、Ni0、Cr203、Ti、C和CB4的粉末為原料，將上述粉末原料混合均勻并充分干燥，制得反應劑；其中，反應劑中各粉末原料之間的摩爾比為Al Fe2O3 NiO Cr2O3 = (2. 3+2x) I O. 3 x，x = O. I O. 3 ;Ti C CB4 = (l+3y) I y，y = O. 5 I ;Al、Fe203、Ni0和Cr2O3的質量總和在反應劑中所占的質量百分數為50 80% ;(2)超重力場中燃燒合成將步驟(I)配制好的反應劑壓制成孔隙率為45 65 %的粉末壓坯后裝入石墨坩堝，并置于超重力場中，以電熱點火方式誘發反應劑之間發生劇烈燃燒反應；反應完成后，得到的產物自然分離為兩層，上層為氧化鋁，下層為梯度金屬陶瓷復合材料，剝離上層的氧化鋁， 得到所述的梯度金屬陶瓷復合材料。
4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征是所述的FeNiCr/NiAl金屬相中的 FeNiCr形成三維網狀編織結構，嵌入在三維網狀編織結構中的NiAl晶粒的平均晶粒尺寸為 50 lOOnm。
5.根據權利要求3所述的制備方法，其特征是所述的超重力場是通過高速離心產生， 其加速度為10000 50000m2/s。
全文摘要
本發明屬于無機材料制備技術領域，涉及梯度金屬陶瓷復合材料及其制備方法。本發明是利用高放熱燃燒反應，原位合成金屬熔體與陶瓷顆粒，并在超重力場作用下，使陶瓷顆粒在金屬熔體中形成梯度分布，冷卻凝固之后，得到的梯度金屬陶瓷復合材料是由FeNiCr/NiAl金屬相和TiC/TiB2陶瓷相共同組成，且沿縱向厚度方向，所述梯度金屬陶瓷復合材料中的FeNiCr/NiAl金屬相與TiC/TiB2陶瓷相的含量呈連續梯度變化，一側的表面為FeNiCr/NiAl金屬相，另一側的表面為FeNiCr/NiAl/TiC/TiB2金屬陶瓷相，且所述另一側的表面中的TiC/TiB2陶瓷相的體積分數為93％≤體積分數＜100％。
文檔編號C22C29/00GK102605207SQ201210091098
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月30日 優先權日2012年3月30日
發明者劉光華, 李江濤, 楊增朝, 許天剛, 郭世斌 申請人:中國科學院理化技術研究所