一種耐高溫磨損的鎳鋁?碳化鎢復合材料的制備方法與流程

本發明屬于材料科學技術領域，主要涉及一種采用熱爆合成輔助加壓工藝制備鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合材料的制備方法。

背景技術：

鎳鋁（nial）金屬間化合物的高溫綜合性能優良，具有較高的熔點和較低的密度，可以用在材料高溫性能要求較高的航空航天，電力鍋爐領域廣泛使用。但是nial金屬間化合物的高溫耐磨性較差，不能適應高溫大載荷接觸摩擦條件下的使用。

目前國內對鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合材料的應用主要集中在硬質合金方面，通過熱爆合成或者高溫燒結制備。這些技術的研究以及應用，充分挖掘了鎳鋁碳化鎢復合材料的潛力，帶來了顯著的經濟效益。專利號為201210564724.x的中國專利公開了采用nial作粘結相，wc和tic作為硬質相，并采用10～40wt%的co粉和fe粉粘結。制備包括：按ni-50at.%al的成分比例,把0.03～21.04wt%鎳粉和鋁粉,與碳化物粉末混合均勻；置于石墨容器中鋪平,非氧化性氣氛下,升溫加熱至660～1300℃,保溫,然后自然冷卻,獲得碳化物與nial的混合物；碾磨、破碎、過篩,獲得混合粉末；400±50℃的氫氣氛下脫氧預處理；將45.77-96.34wt%的混合粉末,與余量的co和/fe粉末濕磨；濕磨混合料噴霧干燥、壓制；壓坯1350～1550℃低壓液相燒結獲得抗高溫磨損硬質合金。制備的co和fe粘結的鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）硬質合金組織結構均勻、合金粘結相顯微硬度高，合金抗高溫磨損性能優異。專利號為201310147055.0的中國專利以ni-al金屬間化合物為粘結相的硬質合金及制備方法,以wc-al4w預合金粉作為前驅體,由碳化鎢粉、鎳粉、所述wc-al4w預合金粉和炭黑經燒結形成以ni-al金屬間化合物為粘結相的硬質合金,其粘結相為單一nial粘結相,或單一ni3al粘結相,或nial-ni3al聯合粘結相,或ni3al-ni聯合粘結相。以ni-al金屬間化合物為粘結相的硬質合金粘結相分布均勻、致密度高、合金強度高,粘結相中無氧化鋁殘留,避免了由于氧化鋁存在而產生的脆性斷裂源,提高了合金的使用性能。

另外申請公開號為cn101613817a的中國專利“一種鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的應用”發明了一種鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料，這種材料復合了al2o3和tic，復合材料的700-900℃的摩擦系數和磨損率低于ni基合金，從而顯著的提高了nial基復合材料的高溫摩擦磨損性能。

綜合以上文獻，目前制備方法主要通過金屬間化合物預合金法和燒結反應法，通過往nial中添加各種陶瓷硬質相，制備出nial/陶瓷復合材料，在nial金屬間化合物中加入高硬度的陶瓷顆粒，來提高材料的硬度和耐磨性，提高高溫條件下抗氧化腐蝕和耐高溫摩擦磨損性能。

但燒結反應法需要原料進行化合反應，嚴重影響合金的收縮致密，會在復合材料中產生孔洞；

而金屬間化合物預合金法是先制備nial金屬間化合物預合金粉，制備金屬間化合物預合金粉時會形成團粒結構，導致粘結相分布的均勻性較差，成分穩定性低，并且該法需要經過兩次燒結，步驟復雜，材料制備時間較長，耗能高。

技術實現要素：

針對以上現有技術的不足，本發明提供一種鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合材料的制備方法，不需要進行高溫燒結，通過混合粉末的熱爆反應，一次性制備出成分穩定的復合材料。實現以下發明目的：

1、制備的鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合材料致密度95%以上，同時，wc的質量分數最高可達40%。

2、制備的鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合具有優異的高溫耐磨性。

3、該制備方法制備的鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合材料工藝簡單，降低了能量消耗。

為解決現有的技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種耐高溫磨損鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合材料包括以下原材料：

ni粉、al粉、wc粉；所述ni粉、al粉的摩爾比為1:1；wc粉的質量占ni-al-wc混合粉末總質量的5～40wt%；

ni粉：顆粒尺寸為100～300目，純度95%～99.5%；al粉：顆粒大小為100～300目，純度95%～99.5%，wc粉：顆粒大小為100-200目，純度95%～99.5%。

一種耐高溫磨損鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合材料的制備方法，其特征是包括以下實施步驟：

(1)配料

本工藝中使用的原材料中的規格如下：ni顆粒尺寸為100～300目，純度95%～99.5%；al粉顆粒大小為100～300目，純度95%～99.5%，wc顆粒大小為100-200目，純度95%～99.5%。

按照摩爾比1:1的比例混合ni粉al粉，然后將ni-al混合粉末與wc陶瓷粉末進行配比，其中wc在ni-al-wc混合粉末中的質量百分比在5-40wt%，將混合好的粉末在行星球磨機球磨2小時，得到均勻混合的粉末。

壓坯

將步驟（1）中按比例混合好的ni-al-wc混合粉末施加200mpa～400mpa的壓力壓制成坯，壓坯密度在75%以上。

熱爆合成輔助加壓

將壓坯放入預熱到溫度700-1000℃的電阻加熱爐中加熱并且同時施加20-40mpa的壓力，壓力優選為30-40mpa；進一步優選為30mpa；

引發熱爆合成反應，反應完畢后，取出樣品直至室溫冷卻。

附圖說明

圖1實施例1、2、3、4的nial/wc復合材料的xrd圖；

圖2nial/wc復合材料的sem圖

其中，（a）是實施例4的sem圖；（b）是實施例2的sem圖；（c）是實施例1的sem圖；（d）是碳化鎢的eds圖譜；

圖3實施例1、2、4的nial/wc復合材料的800℃高溫摩擦系數圖；

由于采用了上述技術方案，本發明達到的技術效果是：

（1）本發明制備的鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合材料微觀形貌均勻、致密度可達95%以上，穩定性非常好；

（2）本發明制備的鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合材料顯微硬度為450-570hv；

（3）本發明制備的鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合材料耐高溫磨損率（800℃）為5.47×10^-5-8.47×10^-5mm³(nm)^-1。

本發明制備的鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合材料復合材料的成分主要為nial以及wc硬質相，整個過程利用原材料之間的熱爆反應，不需要高溫燒結，形成的復合材料兩相分布均勻，制備的復合材料的致密度高，顯微硬度高，同時具有良好的抗高溫摩擦磨損性能。

具體實施方式

實施例1一種耐高溫磨損的鎳鋁-碳化鎢復合材料的制備方法

(1)配料

本工藝中使用的原材料中的規格如下：

ni粉：顆粒大小為200目，純度99.0%；

al粉：顆粒大小為200目，純度99.5%；

wc粉：顆粒大小為200目，純度99.5%。

按照摩爾比1:1的比例混合ni粉和al粉，然后將ni-al混合粉末與wc粉進行混合，將混合好的粉末在行星球磨機球磨2小時，球磨的速度300r/min，得到均勻混合的ni-al-wc混合粉末；

其中wc粉在ni-al-wc混合粉末中占的質量百分比為5%。

壓坯

將步驟（1）中混合好的ni-al-wc混合粉末施加200mpa的壓力壓制成坯；壓坯用內徑為40mm的模具，壓制成尺寸規格為直徑40mm×30mm的圓柱形坯，壓坯密度在75%。

熱爆合成輔助加壓

將電阻加熱爐預熱到700℃，將步驟（2）壓制的坯放入700℃的電阻加熱爐中加熱，同時施加30mpa的壓力，引發熱爆合成反應，反應完畢后，取出樣品直至冷卻至室溫，得到鎳鋁-碳化鎢復合材料。

實施例2一種耐高溫磨損的鎳鋁-碳化鎢復合材料的制備方法

(1)配料

本工藝中使用的原材料中的規格如下：

ni粉：顆粒大小為200目，純度99.0%；

al粉：顆粒大小為200目，純度99.5%；

wc粉：顆粒大小為100目，純度99.5%。

按照摩爾比1:1的比例混合ni粉和al粉，然后將ni-al混合粉末與wc粉進行混合，將混合好的粉末在行星球磨機球磨2小時，球磨的速度300r/min，得到均勻混合的ni-al-wc混合粉末；

其中wc粉在ni-al-wc混合粉末中占的質量百分比為30%。

壓坯

將步驟（1）中混合好的ni-al-wc混合粉末施加200mpa的壓力壓制成坯；壓坯用內徑為40mm的模具，壓制成尺寸規格為直徑40mm×30mm的圓柱形坯，致密度在75%。

熱爆合成輔助加壓

將電阻加熱爐預熱到700℃，將步驟（2）壓制的坯放入700℃的電阻加熱爐中加熱，同時施加40mpa的壓力，引發熱爆合成反應，反應完畢后，取出樣品直至冷卻至室溫，得到鎳鋁-碳化鎢復合材料。

實施例3一種耐高溫磨損的鎳鋁-碳化鎢復合材料的制備方法

(1)配料

本工藝中使用的原材料中的規格如下：

ni粉：顆粒大小為100目，純度95%；

al粉：顆粒大小為100目，純度95%；

wc粉：顆粒大小為100目，純度95%。

按照摩爾比1:1的比例混合ni粉和al粉，然后將ni-al混合粉末與wc粉進行混合，將混合好的粉末在行星球磨機球磨2小時，球磨的速度300r/min，得到均勻混合的ni-al-wc混合粉末；

其中wc粉在ni-al-wc混合粉末中占的質量百分比為10%。

壓坯

將步驟（1）中混合好的ni-al-wc混合粉末施加350mpa的壓力壓制成坯；壓坯用內徑為40mm的模具，壓制成尺寸規格為直徑40mm×30mm的圓柱形坯，致密度在82%。

熱爆合成輔助加壓

將電阻加熱爐預熱到750℃，將步驟（2）壓制的坯放入750℃的電阻加熱爐中加熱，同時施加30mpa的壓力，引發熱爆合成反應，反應完畢后，取出樣品直至冷卻至室溫，得到鎳鋁-碳化鎢復合材料。

實施例4一種耐高溫磨損的鎳鋁-碳化鎢復合材料的制備方法

(1)配料

本工藝中使用的原材料中的規格如下：

ni粉：顆粒大小為250目，純度99.5%；

al粉：顆粒大小為250目，純度99.5%；

wc粉：顆粒大小為200目，純度99.5%。

按照摩爾比1:1的比例混合ni粉和al粉，然后將ni-al混合粉末與wc粉進行混合，將混合好的粉末在行星球磨機球磨2小時，球磨的速度300r/min，得到均勻混合的ni-al-wc混合粉末；

其中wc粉在ni-al-wc混合粉末中占的質量百分比為20%。

壓坯

將步驟（1）中混合好的ni-al-wc混合粉末施加400mpa的壓力壓制成坯；壓坯用內徑為40mm的模具，尺寸規格為直徑40mm×30mm的圓柱形坯，致密度在86%。

熱爆合成輔助加壓

將電阻加熱爐預熱到800℃，將步驟（2）壓制的坯放入800℃的電阻加熱爐中加熱，同時施加40mpa的壓力，引發熱爆合成反應，反應完畢后，取出樣品直至冷卻至室溫，得到鎳鋁-碳化鎢復合材料。

對實施例1-4獲得的復合材料進行打磨拋光后，進行相關的微觀形貌觀察、成分分析，顯微硬度測試以及高溫摩擦磨損性能測試。

經試驗，實施例1-4制備的鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合材料的技術指標見表1；

表1鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合材料的技術指標

由上表可見，本發明制備的鎳鋁-碳化鎢（nial/wc）復合材料微觀形貌均勻、無孔洞，致密度達95-97%，顯微硬度為450-570hv，耐高溫磨損率（800℃）為5.47×10^-5-8.47×10^-5mm³(nm)^-1，其中實施例2為優選實施例。

結果表明，獲得的復合材料的成分主要為nial以及wc硬質相，兩相分布均勻，制備的復合材料的致密度高，顯微硬度高，同時具有良好的抗高溫摩擦磨損性能。

除非特殊說明和本領域常用單位，本發明所述比例，均為質量比例，所述百分比，均為質量百分比。

最后應說明的是：以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。