[发明专利]一种耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件

说明书

本发明涉及一种耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件，该仿生零部件包括基体和制备于基体工作面的仿生工作层；基体为铬镍系耐热钢；仿生工作层包括由镍基自熔性合金制成的仿生非对称结构的网格骨架和填充在网格骨架孔隙中并具有凸起结构的镍基金属陶瓷两部分；网格骨架孔隙包括沿着磨料冲蚀方向依次排布的圆柱形孔隙、菱柱形孔隙和正六棱柱形孔隙；圆柱形孔隙和正六棱柱形孔隙各自交错排列，圆柱形孔隙与正六棱柱形孔隙之间的过渡区由菱柱形孔隙填充完成过渡。本发明能够显著提高耐热零部件的高温抗冲蚀磨损性能，同时能够兼顾硬度和韧性的性能要求，具有较好抗冲击能力和抗疲劳能力，提高了零部件的使用寿命，同时大幅降低了生产成本。

技术领域：

本发明属于耐高温冲蚀零部件技术领域，具体涉及一种耐高温冲蚀磨损的耦合仿生零部件。

背景技术：

磨损是造成材料损失和设备破坏的重要原因，在冶金、电力、矿山、建材和化工等工业领域，由于材料的磨损和腐蚀，每年都会造成巨额的浪费和损失。其中冲蚀磨损约占工业生产中磨损破坏总数的8％，特别是高温冲蚀磨损对材料和装备造成的破坏更为严重。在高温磨损条件下,硬度是决定耐磨性的主要因素。只要能较大幅度地提高零部件表面的硬度,就能显著的提高其耐磨性。但是，在一般情况下，耐热铸钢的硬度越高，其韧性与抗疲劳能力也越差，为了提高耐热部件的使用寿命，必须同时兼顾耐磨性与韧性才行。

目前生产中提高零部件高温冲蚀磨损性能的方法主要是采取设计开发新材料、制备耐磨涂层等方法，其中耐磨陶瓷是新材料的一个组成部分，由于它具有其他材料所没有的各种优良性能，耐高温、高强度、重量轻、耐磨、耐腐蚀等物理特点，它在国民经济中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、石油化工和生物等各方面都有广阔的应用前景，成为各工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料。但是陶瓷材料的脆性较大，抵抗冲击的能力较差，在实际应用中影响了自身优异的耐磨性的发挥，也限制了陶瓷材料在工业生产中的应用，如何解决该问题已成为重要的研究方向。

目前生产中应用陶瓷材料提高零部件表面耐磨性能的具体工艺方法主要有如下几种：

1.金属表面陶瓷涂层技术

金属陶瓷复合涂层是由金属或合金与一种或几种陶瓷相混合后所组成的复合材料。采用适当的涂覆技术，制备出最佳的涂层材料，从而提高了材料的使用寿命和应用性能。(金属陶瓷复合涂层的技术与研究展望，刘佳，郭春丽，陶瓷[J]，2010.No.5)

存在的问题：首先，激光表面涂覆陶瓷工艺，由于陶瓷材料与金属基体存在热膨胀系数、弹性模量和导热系数等性能的较大差异，采用零部件表面整体涂覆工艺将在表面产生较大的热应力，在热应力与外界载荷的共同作用下易生成裂纹，由于涂覆层硬度较高，止裂能力差，裂纹在拉应力作用下极易扩展导致涂层与基体的剥离，影响材料表面的耐磨性；其次，激光表面涂覆陶瓷工艺属于零部件表面整体改性的工艺，制作成本较高，而且仍然无法根本解决零部件表面抗冲击能力差和抗疲劳能力弱的难题。

2.金属基陶瓷复合材料制备技术

其主要原理是用金属将耐热性好、硬度大，但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物等粘结在一起,通过延性相(金属)粒子在外力作用下产生的一定的塑性变形或晶界位移产生的蠕变吸收部分能量，缓解应力集中，从而达到增加韧性的目的。(金属基陶瓷复合材料制备技术研究进展与应用，付鹏，郝旭暖，高亚红，谷玉丹，陈焕铭，材料导报网刊[J]，2009.12第四卷第四期)

存在的问题：迄今为止，金属基陶瓷复合材料的加工工艺尚不够完善，还没有形成大规模批量生产，制约因素主要有加工难度高、加工时间长等，由于制造成本高、稳定性差等问题，阻碍其应用进程，特别是针对于大尺寸零部件而言，制造成本过高，并且仍然存在高硬度、高耐磨性与抗冲击韧性和抗疲劳性能的冲突。另外，金属基陶瓷复合材料的界面结构是以界面反应的形式相结合，受工艺方法及温度参数的控制影响较大，严重影响其性能的发挥；