[发明专利]掺杂粉煤灰的自生陶瓷颗粒增强Fe-Al-Cr-Ni基复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料加工制备领域，具体涉及一种掺杂粉煤灰的自生陶瓷颗粒增强Fe-Al-Cr-Ni基复合材料及制备方法。

背景技术

Fe-Cr-Ni系金属间化合物因其耐腐蚀、高温强度高和抗氧化等诸多优良特性，且不含贵重元素，成本较低在能源、动力、化工、航空、航天和机械等领域内具有广阔的应用前景。由于金属粉末通过激光燃烧合成得到金属的坯件往往硬度和耐磨性低，不能直接满足实际生产需求 ，因此混粉时加入一定的合金元素，通过燃烧合成使基材料内部原位生成增强相，与基体一起构成复合材料，合成高硬度高耐磨合金材料将具有广阔的应用前景。

粉煤灰是煤炭应用的附属物，属于废弃物，我国是粉煤灰资源大国, 年排放量在1.6亿吨以上，粉煤灰的大量排放会侵占土地、污染环境、危害人类健康，对人们生产和生活造成极大危害，因此急需研发粉煤灰废弃物利用研究应用领域。粉煤灰成分中含有Al₂O₃ ，SiO₂等复合硬质相，可以成为复合材料制备中的自生颗粒增强相。

原位自生颗粒增强金属基复合材料具有较高的比强度、比刚度和较好的耐磨性，尤其是在高温时化学稳定性高具有良好的性能，这充分利用了金属基复合材料和陶瓷材料的特点，具有优良的综合性能。是近年来重点的研究领域之一。利用原位自生法生成的增强相与基体相容性较好，界面干净、无污染、粒子相对细小，并解决了外加法难以解决的夹杂物、界面反应及颗粒与基体之间润湿性等问题。

然而在许多情况下，需要加入Al₂O₃ ，SiO₂等硬质相进行强化，而用传统的工艺生产Al₂O₃ 和SiO₂，通常必须经过合成制备硬质相合金—制备成粉末—筛分—混合等工序，生产成本高，工艺冗长，而如果采取天然矿物废弃物粉煤灰做为硬质颗粒相源，将极大低提高复合材料的制备工艺周期，并降低成本，不仅为复合材料的制备提高新途径，同时对有效利用煤矿废弃物、环境保护等都会有积极的社会效益和经济效益。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种掺杂粉煤灰的自生陶瓷颗粒增强Fe-Al-Cr-Ni基复合材料及制备方法，目的是在简化工序降低成本的同时，获得硬度高韧性好，耐磨性高的复合材料。

本发明的粉煤灰掺杂的自生陶瓷颗粒增强Fe-Al-Cr-Ni基复合材料，掺杂有占复合材料重量1~4.8wt.%的粉煤灰，余量为Fe、Cr、Al和Ni，其中按照重量比，Fe：Cr：Al：Ni=90:10：（70~80）：（20~30）；其组织物相由Fe-Al-Cr-Ni系金属间化合物+Al₂O₃、SiO₂陶瓷相+Al、Fe及Ni的固溶体物相组成；其平均硬度值为1500HV~1800HV，平均单位面积磨损率为0.40~0.70mg·mm^-2。

本发明的掺杂粉煤灰的自生陶瓷颗粒增强Fe-Al-Cr-Ni基复合材料的制备方法按照以下步骤进行：

（1）首先对粉煤灰进行筛分，保留粒度在200目以上的粉煤灰粉末；将粒度为200目以上的含有10wt%Cr的铁基粉、铝粉和镍粉混合得到原始合金粉末，混合比例按重量比：铁基粉∶铝粉∶镍粉＝100:（70~80）:（20~30）；再将原始合金粉末和粉煤灰粉末按重量比为100:（1~5）在球磨机中球磨混合4~8小时，得到混合粉末；

（2）将混合粉末压制成圆柱形压坯，然后在大气下采用CO₂激光机发射高能激光束点燃压坯表面，激光输出功率为1000W，激光光斑直径为?15mm，激光点燃时间为15~20s，引发压坯的自蔓延烧结，生成掺杂粉煤灰的Fe-Al-Cr-Ni基自生陶瓷颗粒增强复合材料。

其中，所述的球磨速度为100~200rpm。

所述的压坯压力为70~80KN。

本发明基于的原理是：