[发明专利]低密度耐热铁基合金及其制备方法

说明书

本发明涉及一种低密度耐热铁基合金及其制备方法，采用Ni粉、Al粉机械合金过程中发生反应生成纳米B2有序结构的NiAl粉体颗粒，将金刚石经适宜工艺预处理后使其表面形成一层均匀的钨包覆层，继而将NiAl粉和预处理后的金刚石粉填入球磨罐中，且与Fe粉继续均匀混合，得到细小均匀的NiAl/金刚石增强Fe基合金复合粉末，再通过热压烧结得到块体复合材料，以获得具有低密度耐热NiAl/金刚石增强Fe基材料，即低密度耐热铁基合金。本发明将机械合金化技术与热压烧结技术相结合，研制的低密度耐热NiAl/金刚石增强Fe基合金产品成本低，纯度高，密度低，且热导率高，具有应用在高功率密度柴油机气缸盖材料的应用潜力。

技术领域

本发明涉及一种合金材料，具体涉及一种低密度耐热铁基合金及其制备方法。

背景技术

随着柴油机功率密度的提高，未来高功率密度柴油机的燃烧室燃气爆压、气缸盖最高工作温度和活塞运动速度均大幅度提高，燃烧室工况更为严酷，燃烧室材料将承受更大的热负荷和机械负荷。气缸盖一般采用灰铸铁或合金铸铁铸成，铝合金的导热性好，有利于提高压缩比，但其强度较低，不适用于高功率密度柴油机气缸盖材料的使用工况；铸铁气缸盖材料（密度约7.3g/cm³）400℃以下性能较稳定，然而随温度升高至400℃～600℃其性能大幅下降，而不能满足未来高功率密度发动机气缸盖材料的使用要求，因此开发新型低密度高强耐热气缸盖材料是非常关键的。

对于铁基合金而言，2015年韩国研究人员发现一种生产新型低密度钢的方法。相关研究人员解释说，该技术秘诀在于在热处理过程中形成新的结构以及使用正确的混合成分，除了添加传统的铁、碳、铝和锰之外，还添加了镍。镍能在退火过程中与铝发生作用，产生了具有耐剪切性纳米尺度的B2晶体，导致含有这种晶体的钢就会变得异常坚固。因此，适宜成分组配及结构优化是开发低密度耐热铁基合金的有效途径。此外，NiAl（密度5.9 g/cm³，室温热导率约76 W/(m·K)），因此铁基材料中B2结构NiAl相的加入，在降低密度的同时，提高其热导率和强度。

金刚石作为高热导率材料之一（室温热导率1300~2400 W/(m·K)），密度约3.47~3.50 g/cm³，硬度高，且人造金刚石成本很低，经适当预处理工艺后，其与基体可保证良好的界面结合，因此人造金刚石的添加可在降低整体材料密度的同时提高其硬度，并改善其热导率。

机械合金化作为一项固态非平衡加工技术，不仅可以活化粉体颗粒，使粉末混合均匀，形成超细粉末颗粒，还可使得各组元之间达到原子间结合，形成均匀的固溶体或化合物。热压烧结技术是将干燥粉料充填入模型内，再从单轴方向边加压边加热，使成型和烧结同时完成，该方法可通过降低烧结温度和保温时间可保持预合金粉末的超细结构，是一种获得细小晶粒、高致密度、良好力学和电学性能产品的制备方法。因此，可用来制备低密度耐热NiAl/金刚石增强铁基合金，为未来高功率密度柴油机气缸盖材料的研发奠定理论基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种低密度耐热铁基合金及其制备方法，制备低密度耐热NiAl/金刚石增强铁基合金，所得产品成本低，纯度高，密度低，且热导率高。

本发明所采用的技术方案为：

低密度耐热铁基合金的制备方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

采用Ni粉、Al粉机械合金过程中发生反应生成纳米B2有序结构的NiAl粉体颗粒，将金刚石经适宜工艺预处理后使其表面形成一层均匀的钨包覆层，继而将NiAl粉和预处理后的金刚石粉填入球磨罐中，且与Fe粉继续均匀混合，得到细小均匀的NiAl/金刚石增强Fe基合金复合粉末，再通过热压烧结得到块体复合材料，以获得具有低密度耐热NiAl/金刚石增强Fe基材料，即低密度耐热铁基合金。

所述的低密度耐热铁基合金的制备方法，其特征在于：

所述制备方法具体包括以下步骤：