[发明专利]一种高温耐磨复合材料的体系及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属陶瓷复合材料及其制备技术领域，尤其涉及一种新体系金属陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。

先进陶瓷材料中应用最广泛的是素有“陶瓷王”之称的Al2O3陶瓷。氧化铝陶瓷原料分布广、产品性能优良、价格低。由于具有耐高温、硬度大、强度高、耐腐蚀、电绝缘、气密性好等优良性能，是目前氧化物陶瓷中用途最广、产量最大的陶瓷新材料：可用于切削刀具、磨环、模具；是理想的集成电路基板材料；还可用作催化剂载体、热交换管、阀门、化学泵等。但是与其他陶瓷材料一样，该陶瓷具有脆性这一固有的致命弱点，使得目前Al2O3陶瓷材料的使用范围及其寿命受到了相当大的限制。改善氧化铝陶瓷材料脆性的方法很多，如提高材料的密度、纯度、晶体完整性，以及改变晶形、晶粒尺寸、晶界状况等，或通过微裂纹韧化、ZrO2相变增韧、颗粒弥散、纤维增韧方法等。

金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的复合材料，因此兼有金属和陶瓷的优点。它密度小、硬度高、耐磨、导热性好，不会因为骤冷或骤热而脆裂。既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性，又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性。金属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等地方。随着我国机械、冶金、能源等领域的高速、可持续发展，对材料综合性能的要求越来越高。由于陶瓷-金属基复合材料能够将金属良好的塑性、高导热性与陶瓷的高温耐磨损及耐腐蚀性有效的结合起来，因而得到了广泛关注。

目前，金属陶瓷分为氧化物体系(Al₂O₃、ZrO₂、MgO)、碳化物体系(TiC、SiC、WC)、硼化物体系(TiB、ZrB、CrB)和氮化物体系(TiN、BN、Si₃N₄、TaN)等，其中氧化物体系应用最广泛。氧化物金属陶瓷以氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍等为基体，与金属钨、铬或钴复合而成，具有耐高温、抗化学腐蚀、导热性好、机械强度高等特点，可用作导弹喷管衬套、熔炼金属的坩埚和金属切削刀具。

通常来讲，金属陶瓷要求各物相间有良好的物理相容性和化学相容性，因此，选择合适金属相和陶瓷相组合是制备新型金属陶瓷的先决条件。

Al₂O₃基金属陶瓷在所有氧化物金属陶瓷的研究和应用中最为广泛。但Al₂O₃韧性差，为改善其弊端，常加入延性金属颗粒。常见的Fe由于润湿性差而不能直接作为Al₂O₃增韧金属。文献1(王志，刘健飞，丁寅森，等.Fe/Al₂O₃复合材料的制备和性能[J].材料研究学报，2012,26(2)：206-210)报道了一种Fe与Al₂O₃陶瓷的复合方法，该方法的缺点是需添加金属Al来改善Fe与Al₂O₃陶瓷的润湿性，但是金属粉末与Al₂O₃陶瓷粉末不易完全混合均匀，影响各物相的物理相容性和化学相容性。专利CN02245580.9报道一种高温耐磨管件的制备方法，其采用在本钢制外壳焊接龟甲网，然后将刚玉、烧结矾土或石英为骨料分散在复合磷酸盐聚合物和促凝剂固化物中所形成的耐高温耐磨衬里，该方法不足为需先焊接龟甲网，形成的耐高温耐磨衬里形状不易控制、成型精度低，断裂韧性差。文献2(臧国鹏.反应等离子喷涂Fe-Al₂O₃-FeAl₂O₄复合涂层形成机理的研究[D].天津：河北工业大学，2011)介绍一种反应等离子喷涂Fe-Al₂O₃-FeAl₂O₄复合涂层的方法，该方法以工业铝粉和氧化铁粉为原料，通过喷雾造粒法，制备出适合于等离子喷涂的复合粉体，并通过等离子喷涂技术将复合粉体制备成金属陶瓷复合涂层，该专利的不足为铝粉还原氧化铁反应速度不易控制，涂层薄而耐磨性差。到目前为止，世界上未报到关于采用原位反应合成Fe-FeAl₂O₄系金属陶瓷复合材料。