CN101063187B - 一种陶瓷-金属复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷-金属复合材料的制备方法，所述方法包括下列步骤：1)基体合金料配比：以2Cr33Ni48WC10MoFe8镍基金属作为基体合金；2)复合陶瓷相颗粒的制备：以Ti粉包覆的Al ₂O ₃颗粒为复合陶瓷相颗粒；3)配料及造粒：按照基体合金料与复合陶瓷相颗粒的体积比为1：0.15～0.45的比例混合造粒；4)压制成型；5)真空干燥和6)真空烧结。本发明制备的陶瓷-金属复合材料导热能力较低、高温性能优越、力学强度能够达到轧钢加热炉滑块的使用要求，是一种适合于轧钢加热炉滑块用的新型材料。

Description

一种陶瓷-金属复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷-金属复合材料的制备方法，具体地说，涉及一种轧钢加热炉滑块用陶瓷-金属复合材料的制备方法。

背景技术

在轧钢生产中，板坯在轧制前都要在加热炉中加热。支撑被加热板坯的滑块要求既能承受1250-1400℃氧化-硫化气氛的炉气热蚀，又能承受重板坯的高温滑动摩擦。

目前，轧钢加热炉中的滑块使用的是铸造2Cr33Ni48W10Mo高温合金，但它导热系数较高，易在钢坯表层形成“黑带”进而导致所轧制的钢板组织结构和产品性能的不均匀，影响了中厚板产品的质量。

为了解决这一问题，人们期待着一种强度较高、高温性能优越、导热能力较低同时又不显著增加综合成本的新型滑块材料。

由于氧化铝陶瓷具有陶瓷的诸多优点又具有原料来源广、价格便宜等特点，因此，经常作为金属陶瓷复合材料的首选原料。但Al₂O₃同样也具有陶瓷最大的弱点，就是韧性较差，而这一点又严重阻碍了它在工程上的应用，因此改善其脆性成为其进入更广泛的应用领域所必须解决的问题。众所周知，金属及其合金具有延展性好，导电、导热性能优良以及其它一些优良性能，如磁性、吸波性等，然而其相对硬度和强度较低，密度相对较高。如果能把陶瓷和金属结合起来，扬长避短，无疑将有可能得到一种非常理想的材料。

Al₂O₃基复合材料可用作切削工具，适于高速切削。用Cr作金属粘结相的Al₂O₃基复合材料比Al₂O₃陶瓷机械强度高，并随组成中Cr含量增加，抗折和抗张强度有所增加。采用Cr-Mo合金效果更好，可在许多高温条件下应用。例如作为喷气火焰控制器、导弹喷管的衬套、熔融金属流量控制针、“T”形浇口、炉管、火焰防护杆以及热电偶保护套管和机械密封环等。Al₂O₃-Fe复合材料硬度高、耐磨、耐腐蚀、热稳定性高，广泛用作机械密封环以及农用潜水泵机械密封，另外还可以在要求耐高温、导热、导电场合下作为高温部件使用。该环使用寿命长，而且不会因临时启动产生大量的热而使环破碎。

经过多年的研究，已经有多种工艺用来制备Al₂O₃-金属复合材料。常见的有：粉末冶金法、直接氧化法、液态金属注入法、原位复合法、3A法以及湿化学法等。粉末冶金法操作相对简单，但缺点是基体与第二相材料混合不均匀，以及在烧结过程中由于基体发生体积收缩，易导致复合材料产生裂纹。

Al₂O₃基复合材料作为一种具有广泛应用的材料体系，对其研究的主要目的就是通过合理的组元、成分、显微结构及工艺设计，使Al₂O₃与金属的性能特点互相补充，充分发挥各自的优点，克服各自的不足，获得具有理想性能的Al₂O₃-金属复合材料，提高材料的可靠性，最终实现结构功能一体化，从而进一步扩大其应用范围。

日本关西电力与名古屋大学、日立制作所用镍基单晶超合金共同开发出世界最高水平的具有高温耐热特性的燃气轮机机翼。这种合金以镍为主体，通过钴、铬、钨、铝、钛、钽、铼、铪等合金元素的合理的组成比例实现了性能最佳化。

有研究采用包覆工艺和热压工艺制备了Al₂O₃-Ni复合材料。在1450℃热压Ni包覆Al₂O₃复合粉体得到相对密度＞98％的金属陶瓷复合材料，当温度＞1400℃时，随着Ni含量的增加致密度下降。Ni颗粒位于三角晶界，随着含量的增加，断裂方式由沿晶转为穿晶断裂；在Al₂O₃基体中引入Ni颗粒能够降低晶粒尺寸，提高强度和韧性。与单相Al₂O₃的力学性能相比，综合力学性能较好的NA4金属陶瓷复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别提高了19％和35％。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种轧钢加热炉滑块用陶瓷-金属复合材料的制备方法，本发明制备的陶瓷-金属复合材料导热能力较低、高温性能优越、力学强度能够达到轧钢加热炉滑块的使用要求，是一种适合于轧钢加热炉滑块用的新型材料。本发明制备的新型陶瓷-金属复合材料还可广泛应用于其它抗高温耐磨损部件。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

本发明涉及一种陶瓷-金属复合材料的制备方法，所述方法包括下列步骤：

1)、基体合金料配比：以2Cr33Ni48WC10MoFe8镍基金属作为基体合金，按照2Cr33Ni48WC10MoFe8镍基金属中的成分配比(重量比)将Cr粉2份、Ni粉33份、WC粉48份、Mo粉10份和Fe粉8份混合均匀制备成基体合金料；

2)、复合陶瓷相颗粒的制备：所述复合陶瓷相颗粒为Ti粉包覆的Al₂O₃颗粒；

3)、配料及造粒：按照基体合金料与复合陶瓷相颗粒的体积比为1∶0.15～0.45的比例，将基体合金料与复合陶瓷相颗粒混合搅拌均匀；在搅拌过程中，滴加橡胶溶液成型剂，进行造粒；成型剂的加入量为每100克混合料中加入10～15毫升成型剂；

4)、压制成型：采用压力机将造粒料进行坯体的压制成型，成型压力为100～200MPa；保压时间为40～100秒；

5)、真空干燥：成型后的坯体60～90℃真空干燥；

6)、真空烧结：烧结温度1250～1380℃，烧结真空度为1.0×10^-1～1.0×10^-3Pa。

本发明所述复合陶瓷相颗粒的制备方法为：按照Ti粉与球形Al₂O₃颗粒重量比为1∶0.01～0.05的比例，将Ti粉加入到Al₂O₃颗粒料中，滴入PVB(聚乙烯醇缩丁醛)酒精溶液粘结剂，粘结剂加入量为每100克原料中滴加5～10毫升，搅拌混合，使Ti粉均匀包覆在氧化铝颗粒表面，制备成粒径为0.5～1.0毫米、Ti粉包覆的Al₂O₃复合陶瓷相颗粒。

优选的，本发明所述Ti粉与球形Al₂O₃颗粒重量比为1∶0.03。所述基体合金料与复合陶瓷相颗粒的体积比为1∶0.25。

优选的，本发明所述真空烧结分三步来完成：

1)、脱脂预烧阶段：烧结温度为0～400℃，升温速度为10℃/分钟；

2)、烧结阶段：烧结阶段由下列步骤完成：

A、保温阶段，温度为400℃，保温时间30分钟；

B、预烧结阶段，温度为400℃～1000℃，升温速度10℃/分钟；

C、保温阶段，温度为1000℃，保温时间30分钟；

D、烧结阶段，温度为1000℃～烧结温度，升温速度10℃/分钟；

E、烧结温度保温，温度为1250～1380℃，保温30分钟；

3)、冷却阶段：随炉冷却。

本发明具有以下特点：

1、采用本发明的方法所制备的材料具有较低的导热系数，强度达到使用要求。

2、包覆氧化铝陶瓷颗粒与镍基合金基体具有较好的润湿性，两者能够较好的结合在一起。

3、采用本发明的方法所制备材料的高温性能优越。

4、采用本发明的制备方法制备的复合滑块材料，综合性能好，工艺简单，适合于工业化生产。

本发明制备的陶瓷-金属复合材料导热能力较低、高温性能优越、力学强度能够达到轧钢加热炉滑块的使用要求，是一种适合于轧钢加热炉滑块用的新型材料。本发明制备的新型陶瓷-金属复合材料还可广泛应用于其它抗高温耐磨损部件。

为了获得高温力学性能优越、导热性能较低的陶瓷-金属复合材料，通常选用耐高温、抗磨性能好的高温合金作为基体材料。

陶瓷-金属复合材料的物理化学问题是复合材料研制中的关键问题。材料组分的选择、工艺过程的控制对材料的最终性能起决定性的作用。相界面的润湿性、化学反应以及组分的溶解对相界面的结合有着重要的影响。相界面的物理和化学相容性决定了陶瓷-金属复合材料在广泛温度范围内的工作性能。

本发明以相间热膨胀系数的匹配性、润湿性及尽量少的相间反应作为选材的首要原则，以2Cr33Ni48WC10MoFe8镍基金属作为基体合金，以Ti粉包覆的Al₂O₃颗粒作为复合陶瓷相颗粒。

复合材料中基体金属和复合陶瓷相之间的物理匹配非常重要。所谓物理匹配是指两种材料在物理性能上的相容性，主要包括热膨胀系数和弹性模量。不同相之间的物理匹配将对界面应力、载荷传递和整个材料的性能产生很大的影响。材料的热膨胀系数取决于它的化学组成和晶体结构。当二者确定以后，很难加以改变和调整。热膨胀系数差异过大会造成基体和复合相在冷却阶段产生应力，降低复合材料的强度，甚至会使材料产生裂纹。

实践证明，二元陶瓷基复合材料中两相热膨胀系数的差异不应过大，如对于金属陶瓷复合材料，***中两相热膨胀系数差值达10×10^-6K^-1时，制品会被破坏，而差值为5×10^-6K^-1时，制品尚能承受。

从降低残余应力、提高材料的强度来说，应使金属基体的弹性模量较小，且与复合相的热膨胀系数接近。高的弹性模量将使复合相分担更大的载荷，也有助于强度的改善。因此存在一个最优匹配，可以使材料的强度和韧性同时得到提高。

除了极少数的方法外，金属基复合材料都在较高的温度下制造，温度范围通常稍低于或稍高于基体的熔点，因此基体和增强物之间的相互作用不可避免，易于生成严重影响复合材料性能的化合物。这就是基体和增强物的化学相容性问题。它包括热力学相容性和动力学相容性两个方面。因此，在选择基体合金时要充分考虑这两个方面，既能够满足其温度要求，又要尽量避免一些化合物的生成。

另外，在选择基体合金时，也要充分考虑其对复合相的润湿性。但是，在实际应用中，润湿性有时不能满足要求，这就需要进行一些处理。对于金属基复合材料可以采取下列措施来改善金属基体对复合相的润湿性。

1)改变复合相的表面状态与结构以增大表面张力，即对复合相进行表面处理，包括机械、物理和化学清洗，电化学抛光和涂覆。最有效的办法是进行表面涂覆处理。

2)改变金属基体的化学成分以降低界面张力，最有效的办法是向基体中添加合金元素。如在Ni-Al₂O₃系中向Ni中添加Ti、Cr等能改善Ni对Al₂O₃的润湿性。

3)改变温度，通常升高温度能减小液态基体与固态复合相间的接触角，但温度不能过高，否则将促进基体与增强物间化学反应，严重影响复合材料的性能。

4)改变环境气氛，如在氧化气氛中制造Ni-Al₂O₃复合材料时也能降低接触角而提高材料的性能。

制备性能良好的复合材料，应根据所要求的材料性能进行最优设计，选择合适的材料组元在使用中承担一定的功能。首先根据复合材料所需的性能来选择组成复合材料的材料体系，即选择基体粘结相和复合相。要综合考虑组元之间的物理、化学相容性和润湿性。表1为镍基合金和几种可作为基体粘结相的材料的性能比较。

表1普通镍基合金、Ti₃Al和TiAl合金Ti合金性能比较

由表1可见，镍基合金的抗蠕变和抗氧化性比普通钛合金好得多，与TiAl基合金相当，但综合性能更优越，因为其具有更高的高温强度、高温抗氧化性。镍基合金的主要应用优势在于：

(1)镍基合金比其他常用结构合金的比刚性高约50％。

(2)镍基合金800～1090℃的良好抗蠕变性能，使其可以更好地作为高温合金部件来使用。

(3)镍基合金的高屈服强度、高抗氧化极限、优良的高温塑性以及抗耐磨性都是其他材料不能代替的。

但是，和其它金属合金一样，镍基合金也存在导热系数高，而且价格昂贵等问题，因此本发明设计加入氧化铝颗粒做复合相，即可利用氧化铝陶瓷导热系数低的特点，又可降低复合材料的价格。

镍、铬是基体合金的主要成分，由镍-铬二元相图1所示：在镍占27.3％～53％之间的时候镍铬***具有低共熔点，且镍的综合性能优于铬，所以在镍和铬的含量分别选取48％和33％。

钼粉呈银白色，密度10.22g/cm³，熔点为2610℃。钼粉的颗粒均匀，流动性较差。钼粉的少量加入主要是为了增加基体合金对陶瓷颗粒的润湿性和提高基体合金的耐高温性能。

选用还原铁粉为原料，因为它相对来说经济便宜，且实验发现对复合材料性能的影响并不大。铁粉的加入主要是因为它易与其它金属发生共晶，且有较好的润湿性。

碳化钨由金属钨粉(三氧化钨)在高温下(1400～1800℃)与炭黑化合而成。碳化钨晶格呈立方体，密度为15.5～15.7克/厘米³，具有高硬度(显微硬度1700公斤/毫米²)和高熔点(2720℃)并能溶介于多种难熔碳化物中。碳化钨作为骨架材料主要用于硬质合金等各类硬面材料之中。碳化钨加入基体合金中可以提供材料的硬度和耐磨性，并有效降低高熔点材料的液相烧结温度。

本发明进行的氧化铝包覆和基体合金与氧化铝之间的配比的实验见表2。氧化铝复合相材料选用氧化铝微球(粒径约0.5～1mm)。

实验采用Ti粉作为氧化铝微球表面包覆剂。实验发现Ti粉对Al₂O₃-Ni复合材料相界面的润湿及力学性能有更好的影响。

对于以Ni基合金为基体的氧化铝复合材料，由于Ni不润湿Al₂O₃，Al₂O₃-Ni相界面润湿性不够好，界面结合强度较低，氧化铝颗粒在材料断裂过程中易于拔出，基体合金的增韧作用未得到充分发挥。采用对氧具有较高化学活性的Ti粉为添加剂，其作用有以下三点。(1)Ti粉添加剂由于对氧具有高的化学活性而在Al₂O₃-Ni相界面附近富集，通过改善相界面润湿性而强化了相界面结合，从而显著提高Al₂O₃-Ni基合金复合材料的力学性能。(2)实验的成分范围内，随Ti粉含量增加，复合材料的烧结致密度和三点弯曲强度提高；断裂韧性在Ti粉的包覆量为氧化铝颗粒质量的3％时具有最大值。(3)Al₂O₃(Ti粉包覆)-Ni基合金复合材料的增韧机理以桥接机理为主。

表2复合材料制备第二部分实验的配料方案

在常温下，以规定的装填系数，将混合原料粉末送入模腔中，通过模冲用压力把粉末压实成具有预定形状和尺寸的压坯，并用压力将压坯脱出模具的过程，称为模压成型。通常由装粉、压制、脱模3个工序完成。

采用压力机进行压制成型，成型压力100～200MPa，选择保压时间为40～100秒钟。

干燥：成型后的坯体60～90℃真空干燥。

在高温环境下金属易氧化，所以采用真空烧结。真空烧结有保护气氛、还原、脱气、促进液相对固相的润湿、活化烧结等作用，适用于忌避气体作保护气体的场合。

本发明真空烧结分三步来完成：

1.脱脂：这一阶段是脱除成形剂阶段也可称为预烧阶段，在这阶段在某一温度要保温一段时间，其目的：一是使成形剂充分排除，二是进行自身的氧化还原反应。通过这一阶段的预烧应使成形剂分解，气体充分排除。

2.烧结：烧结阶段设定的温度即是烧结所需要的温度。由于真空烧结具有活化烧结的作用，其烧结温度比气氛烧结要低50℃～100℃。

3.冷却：随炉冷却。

烧结时，400℃附近有一段平稳区，原因是覆层坯体中加入的有机成形添加剂的分解、挥发、脱除。

为了避免由于成形添加剂成分的过于快速的分解、挥发而在坯体内形成气泡、层裂、缝隙，或对坯体造成其它破坏，在此阶段的升温速度不宜过快，实验表明，以10℃/min为宜。为了使PVB等料浆添加剂比较充分、完全的分解、挥发，在400℃进行30min的保温。而在1000℃附近许多金属元素在这一温度点开始进行合金化，为了使合金化能够比较充分的进行，所以在这个温度点也保温30分钟，而到1370℃有一个吸热峰，说明在这个温度点液相开始大量出现，因此本实验将烧结温度定在1250-1340℃，这个温度区域为最佳烧结温度。在烧结温度保温30分钟。

附图说明

图1为本发明复合材料烧结温度示意图。

图2为原料的DTA-TG分析曲线图。

图3a、图3b、图3c和图3d为本发明制备的陶瓷-金属复合材料断面的扫描电镜照片，其中：图3a和图3b为断面扫描电镜照片40×；图3c为断面抛光后的扫描电镜照片40×；图3d为氧化铝颗粒和基体合金烧结后界面结合情况5000×。

具体实施方式

实施例1  陶瓷-金属复合材料的制备

1)、基体合金料配比：以2Cr33Ni48WC10MoFe8镍基金属作为基体合金，按照2Cr33Ni48WC10MoFe8镍基金属中的成分配比(重量比)将Cr粉2份、Ni粉33份、WC粉48份、Mo粉10份和Fe粉8份混合均匀制备成基体合金料；

2)、复合陶瓷相颗粒的制备：按照Ti粉与球形Al₂O₃颗粒重量比为1∶0.03的比例，将Ti粉加入到Al₂O₃颗粒料中，滴入PVB(聚乙烯醇缩丁醛)酒精溶液粘结剂，粘结剂加入量为每100克原料中滴加5～10毫升，搅拌混合，使Ti粉均匀包覆在氧化铝颗粒表面，制备成粒径为0.8毫米、Ti粉包覆的Al₂O₃复合陶瓷相颗粒。

3)、配料及造粒：按照基体合金料与复合陶瓷相颗粒的体积比为1∶0.25的比例，将基体合金料与复合陶瓷相颗粒混合搅拌均匀；在搅拌过程中，滴加橡胶溶液成型剂，进行造粒；成型剂的加入量为每100克混合料中加入12毫升成型剂；

4)、压制成型：采用压力机将造粒料进行坯体的压制成型，成型压力为150MPa；保压时间为70秒；

5)、真空干燥：成型后的坯体80℃真空干燥；

6)、真空烧结：烧结真空度为1.0×10^-2Pa，烧结过程为：

a、脱脂预烧阶段：烧结温度为0～400℃，升温速度为10℃/分钟；

b、烧结阶段：烧结阶段由下列步骤完成：

A、保温阶段，温度为400℃，保温时间30分钟；

B、预烧结阶段，温度为400℃～1000℃，升温速度10℃/分钟；

C、保温阶段，温度为1000℃，保温时间30分钟；

D、烧结阶段，温度为1000℃～1300℃，升温速度10℃/分钟；

E、烧结温度保温，温度为1300℃，保温30分钟；

c、冷却阶段：随炉冷却。

实施例2  陶瓷-金属复合材料的制备

1)、基体合金料配比：以2Cr33Ni48WC10MoFe8镍基金属作为基体合金，按照2Cr33Ni48WC10MoFe8镍基金属中的成分配比(重量比)将Cr粉2份、Ni粉33份、WC粉48份、Mo粉10份和Fe粉8份混合均匀制备成基体合金料；

2)、复合陶瓷相颗粒的制备：按照Ti粉与球形Al₂O₃颗粒重量比为1∶0.01的比例，将Ti粉加入到Al₂O₃颗粒料中，滴入PVB(聚乙烯醇缩丁醛)酒精溶液粘结剂，粘结剂加入量为每100克原料中滴加5毫升，搅拌混合，使Ti粉均匀包覆在氧化铝颗粒表面，制备成粒径为1.0毫米、Ti粉包覆的Al₂O₃复合陶瓷相颗粒。

3)、配料及造粒：按照基体合金料与复合陶瓷相颗粒的体积比为1∶0.15的比例，将基体合金料与复合陶瓷相颗粒混合搅拌均匀；在搅拌过程中，滴加橡胶溶液成型剂，进行造粒；成型剂的加入量为每100克混合料中加入15毫升成型剂；

4)、压制成型：采用压力机将造粒料进行坯体的压制成型，成型压力为100MPa；保压时间为100秒；

5)、真空干燥：成型后的坯体60℃真空干燥；

6)、真空烧结：烧结真空度为1.0×10^-1Pa，烧结升温如下：

a、脱脂预烧阶段：烧结温度为0～400℃，升温速度为10℃/分钟；

b、烧结阶段：烧结阶段由下列步骤完成：

A、保温阶段，温度为400℃，保温时间30分钟；

B、预烧结阶段，温度为400℃～1000℃，升温速度10℃/分钟；

C、保温阶段，温度为1000℃，保温时间30分钟；

D、烧结阶段，温度为1000℃～1250℃，升温速度10℃/分钟；

E、烧结温度保温，温度为1250，保温30分钟；

c、冷却阶段：随炉冷却。

实施例3  陶瓷-金属复合材料的制备

1)、基体合金料配比：以2Cr33Ni48WC10MoFe8镍基金属作为基体合金，按照2Cr33Ni48WC10MoFe8镍基金属中的成分配比(重量比)将Cr粉2份、Ni粉33份、WC粉48份、Mo粉10份和Fe粉8份混合均匀制备成基体合金料；

2)、复合陶瓷相颗粒的制备：按照Ti粉与球形Al₂O₃颗粒重量比为1∶0.05的比例，将Ti粉加入到Al₂O₃颗粒料中，滴入PVB(聚乙烯醇缩丁醛)酒精溶液粘结剂，粘结剂加入量为每100克原料中滴加10毫升，搅拌混合，使Ti粉均匀包覆在氧化铝颗粒表面，制备成粒径为0.5毫米、Ti粉包覆的Al₂O₃复合陶瓷相颗粒。

3)、配料及造粒：按照基体合金料与复合陶瓷相颗粒的体积比为1∶0.45的比例，将基体合金料与复合陶瓷相颗粒混合搅拌均匀；在搅拌过程中，滴加橡胶溶液成型剂，进行造粒；成型剂的加入量为每100克混合料中加入10毫升成型剂；

4)、压制成型：采用压力机将造粒料进行坯体的压制成型，成型压力为200MPa；保压时间为40秒；

5)、真空干燥：成型后的坯体90℃真空干燥；

6)、真空烧结：烧结真空度为1.0×10^-3Pa，烧结升温过程如下：

a、脱脂预烧阶段：烧结温度为0～400℃，升温速度为10℃/分钟；

b、烧结阶段：烧结阶段由下列步骤完成：

A、保温阶段，温度为400℃，保温时间30分钟；

B、预烧结阶段，温度为400℃～1000℃，升温速度10℃/分钟；

C、保温阶段，温度为1000℃，保温时间30分钟；

D、烧结阶段，温度为1000℃～1380℃，升温速度10℃/分钟；

E、烧结温度保温，温度为1380℃，保温30分钟；

c、冷却阶段：随炉冷却。

实施例4  试验例

1、抗弯强度的测试

将烧结试样磨平抛光后，再将试样切割成尺寸为4mm×20mm×40mm的规则试条，倒角约0.3mm，材料的室温抗弯强度采用三点弯曲法测定，跨距约15mm，抗弯强度实验在INSTRON电子万能材料试验机上进行，压头下移速度为0.5mm/min，每组试样测5根材料的抗弯强度计算公式如下：

σ_f＝3PL/(2bh²)

式中：σ_f-弯曲强度，MPa；L-支点的跨距，mm；P-断裂的载荷，N；b-试样的宽度，mm；h-试样的厚度，mm

根据表4-表6测试数据，氧化铝颗粒加入后复合材料的抗弯强度有比较明显的降低，但还是可以控制在使用允许的抗弯强度范围内。

表4物料配方1：0.25的抗弯强度测试数据

表5物料配方1：0.3的抗弯强度测试数据

表6基体合金的抗弯强度测试数据

复合材料试样的抗弯强度随着基体合金的含量增加而增加，随着氧化铝颗粒含量的增加而减小。纯合金的抗弯强度明显高于复合材料；纯合金的强度测试数据波动比较小，表明粒度分布比较均匀，在烧结合金体内留有的空隙比较少。而含有氧化铝颗粒的复合材料，强度测试数据波动比较大，则说明了烧结的材料均匀性还不够好。造成这种情况的主要原因是基体合金和氧化铝颗粒的润湿及结合情况不够好，在它们的界面结合中还存在着相当部分的机械结合，而溶解和润湿结合以及反应结合不够理想。在以后的试验中，还需进一步改善润湿性。复合材料是通过压制成型再经烧结制成，但该法的缺点是基体原料与复合相材料混合不够均匀，会影响材料的强度；镍基合金和复合相之间的热膨胀系数有差异，在冷却阶段会产生一定的界面应力，从而影响复合材料的强度。

2、硬度测试

表7为复合材料的硬度测试结果。

表7复合材料的硬度(HRB)测试数据

注：HRB测试中采用1.588mm钢球压头，总负荷为100kg

测试数据表明，同一种复合材料试样硬度值变化比较大，这主要是因为试样的密度不均匀所致。而纯合金的硬度值变化幅度比较小，说明纯合金密度较均匀。对于含有颗粒的复合材料，当压头压在空隙上时，硬度值比较小；而压在氧化铝颗粒上时，硬度值将变大。

3、抗氧化性测试

抗氧化性试验在电阻炉中空气气氛下通过加热氧化增重进行，升温制度为：每分钟5℃，最高1250℃，保温1小时，随炉冷却。表8为复合材料的抗氧化性测试结果。

所制备的复合材料的高温抗氧化性的规律如下：同一温度下的复合材料，高温抗氧化性随基体合金百分比含量的增加而增强，随氧化铝颗粒含量的增加而降低。实验现象表明，随着氧化铝颗粒复合相的增多，复合材料的配料均匀性不是太好，烧结致密度情况不够好，烧结体内有更多空隙，给了氧气与合金基体更多的接触面积，导致复合材料抗高温氧化性能下降。

表8复合材料的抗氧化性测试数据

4、复合材料导热系数的分析

镍基合金与氧化铝的导热率如表9所示：

表9镍基合金与氧化铝陶瓷的导热率(W/m.k)

经计算氧化铝陶瓷/高温合金复合材料在1000℃与1100℃时的热导率如表10所示。

表10氧化铝陶瓷/高温合金复合材料导热率(W/m.k)

由表9与表10可以看出，随着氧化铝颗粒加入量的增加，氧化铝陶瓷/高温合金复合材料的热导率不断降低，复合材料的热导率高于氧化铝的热导率；但低于镍基合金的热导率，呈明显的线性变化。

5、相关因素对复合材料力学性能的影响

氧化铝陶瓷的影响

测试表明，镍基合金试样抗弯强度的平均值可以达到2065.56，而加入氧化铝颗粒的复合材料试样的强度分别是993.55MPa和904.36MPa。可以看出氧化铝颗粒的加入显著降低了镍基合金材料的抗弯强度。

镍基合金试样的HRB平均值可以达到79，而加入氧化铝颗粒的试样的HRB的2个平均值分别是67和62，可以看出氧化铝颗粒的加入降低了镍基合金材料的硬度。

氧化铝颗粒的加入对镍基烧结合金材料力学性能方面的影响主要有以下几点：

1.氧化铝颗粒的加入使混合的难度增加，混合不均匀对成型和烧结后的材料强度的影响都很大；

2.Ni的膨胀系数(15×10^-6/℃)要比Al₂O₃(8.4×10^-6/℃)大，冷却时会在Al₂O₃/Ni界面形成空隙，降低高温烧结材料的力学性能；

3.因Ni的含量较多，在烧结过程中Ni会通过短程扩散，导致Ni颗粒团聚、长大，不利于烧结，也会降低和Al₂O₃颗粒的润湿性，降低材料强度；

4.氧化铝金属陶瓷复合材料在真空烧结过程中，由于坯体发生不均匀体积收缩，会导致复合材料产生裂纹，进而影响材料的强度；

5.粘结剂的加入在高温烧结后留下气孔，也会影响材料的强度。

虽然氧化铝颗粒的加入降低了镍基合金材料的力学性能。但这些性能的降低是在材料使用允许范围内的降低。本研究是通过实验得到金属陶瓷复合材料的高温力学性能和低导热性能的之间的最佳匹配点。

烧结温度的影响

烧结温度对复合材料性能有比较重要的影响。当烧结温度低于1300℃时，真空烧结后的试样的金属光泽很差，基体烧结不完全；而当温度达到1330℃时，基体的大部分就已经开始熔化，可见这种氧化铝/镍基合金复合材料的烧结温度范围不是很宽。

烧结真空度的影响

本研究在前期进行时，烧结炉真空度不够高，坯体容易被氧化，对复合材料的烧结质量产生了很大的不利影响。后期实验，烧结炉的高真空改造已经完成，所烧结试样的性能得到显著提高。

粘结剂的影响

粘结剂的作用，在于使合金粉末与合金粉末之间及合金粉末与氧化铝颗粒之间能够互相牢固的粘结在一起。在材料烧结后能燃烧、气化，不留残渣，不形成孔洞。粘结剂加入量不宜过多，以能粘结增强体颗粒，使基体具有一定粘结性和干坯强度为宜。若加入量过多，易在合金粉末和氧化铝颗粒上包覆一层厚厚的粘结剂膜，从而影响相互之间的接触反应，以至影响合金的质量。另外，过多的粘结剂也会使原料在压制成型时产生的气体量增加，从而在高温状态下，极大地增加了气体在合金内部的体积，气泡不能及时排除，形成较多的孔洞，影响了合金的质量。

实施例5  复合材料显微组织结构分析

材料，特别是复合材料的性能与其成分、组织结构有着十分密切的关系。一般地，材料的成分决定其组织结构，而组织结构又决定其性能。因此，在进行材料设计的过程中，首先要选择合适的成分，才有可能形成理想的组织结构；同样，只有对组成成分和组织结构进行合理设计，才能使复合材料的性能达到设计要求。

扫描电镜主要采用二次电子成像。二次电子对试样表面特征比较敏感。可以利用扫描电镜结合能谱分析观察材料断口的微观组织形貌、晶粒大小、晶粒间的结合状态、夹杂物和气孔的分布特点等。

图3a、图3b、图3c和图3d为本发明制备的陶瓷-金属复合材料断面的扫描电镜照片。从图3a、图3b中可以看出，氧化铝颗粒和基体合金之间还是具有一定的润湿性结合，但是基体中也还存在着一定量的气孔和裂痕。从图3c断面抛光照片可以看到圆形、颜色较深的氧化铝颗粒和颜色较浅的基体材料之间的结合性较好，其间较大的、可见的缝隙很少，但基体上还有明显的气孔存在。由3d可以看出氧化铝颗粒和基体合金之间具有较好的润湿性结合，两者可以比较紧密地粘结在一起。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下得出的其他任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种陶瓷-金属复合材料的制备方法，其特征在于所述方法包括下列步骤：

1)、基体合金料配比：以2Cr33Ni48WC10MoFe8镍基金属作为基体合金，按照2Cr33Ni48WC10MoFe8镍基金属中的成分配比(重量比)将Cr粉2份、Ni粉33份、WC粉48份、Mo粉10份和Fe粉8份混合均匀制备成基体合金料；

2)、复合陶瓷相颗粒的制备：按照Ti粉与球形Al₂O₃颗粒重量比为1∶0.01～0.05的比例，将Ti粉加入到Al₂O₃颗粒料中，滴入PVB(聚乙烯醇缩丁醛)酒精溶液粘结剂，粘结剂加入量为每100克原料中滴加5～10毫升，搅拌混合，使Ti粉均匀包覆在氧化铝颗粒表面，制备成粒径为0.5～1.0毫米、Ti粉包覆的Al₂O₃复合陶瓷相颗粒；

3)、配料及造粒：按照基体合金料与复合陶瓷相颗粒的体积比为1∶0.15～0.45的比例，将基体合金料与复合陶瓷相颗粒混合搅拌均匀；在搅拌过程中，滴加橡胶溶液成型剂，进行造粒；成型剂的加入量为每100克混合料中加入10～15毫升成型剂；

4)、压制成型：采用压力机将造粒料进行坯体的压制成型，成型压力为100～200MPa；保压时间为40～100秒；

5)、真空干燥：成型后的坯体60～90℃真空干燥；

6)、真空烧结：烧结温度1250～1380℃，烧结真空度为1.0×10^-1～1.0×10^-3Pa。

2.如权利要求1所述的陶瓷-金属复合材料的制备方法，其特征在于：所述Ti粉与球形Al₂O₃颗粒重量比为1∶0.03。

3.如权利要求2所述的陶瓷-金属复合材料的制备方法，其特征在于：所述基体合金料与复合陶瓷相颗粒的体积比为1∶0.25。

4.如权利要求1-3之任一所述的陶瓷-金属复合材料的制备方法，其特征在于：所述真空烧结分三步来完成：

1)、脱脂预烧阶段：烧结温度为0～400℃，升温速度为10℃/分钟；

2)、烧结阶段：烧结阶段由下列步骤完成：

A、保温阶段，温度为400℃，保温时间30分钟；

B、预烧结阶段，温度为400℃～1000℃，升温速度10℃/分钟；

C、保温阶段，温度为1000℃，保温时间30分钟；

D、烧结阶段，温度为1000℃～烧结温度，升温速度10℃/分钟；

E、烧结温度保温，温度为1250～1380℃，保温30分钟；

3)、冷却阶段：随炉冷却。

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