一種Cr₂AlC增強Fe基復合材料及其無壓燒結制備方法

　　【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Cr2AlC增強Fe基復合材料及其無壓制備方法。該材料中，Cr2AlC的體積百分比含量為5％～40vol.％，其余為Fe；該材料的制備方法：按比例稱取適量的Cr2AlC粉和Fe粉均勻混合，將混合后的原料粉放入鋼制模具中進行冷壓成型，冷壓成型壓強為50～200MPa，然后將冷壓成型后的坯體通過冷等靜壓機進行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓強為100～300MPa，將冷等靜壓后的坯體放入石墨模具中，然后將石墨模具放入燒結爐中進行無壓燒結，燒結工藝為在真空、氬氣或氮氣保護下，以10～40℃/min的升溫速率，將爐溫升到1100～1500℃，保溫15～120mins，冷卻后，即得到本發(fā)明的Cr2AlC增強Fe基復合材料。該材料具有高硬度、耐磨耗、抗氧化，能在高溫下裂紋自愈合等顯著特點，可廣泛用于高鐵制動盤、燃氣輪機高溫葉片、核反應堆結構材料等機械、交通、能源與軍工等領域。

　　【專利說明】

　　一種Cr2A IC増強Fe基復合材料及其無壓燒結制備方法

　　技術領域

　　[0001 ]本發(fā)明涉及一種Cr2AlC增強Fe基復合材料及其無壓制備方法。

　　【背景技術】

　　[0002]采用陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料具有比強度高、比剛度高、耐摩擦磨損性好、抗氧化、耐腐蝕及高溫蠕變、可設計性好等特點，可以作為航空航天發(fā)動機高溫自愈合材料，交通運輸領域的制動盤、道岔等制動、嚙合材料，核能領域的抗輻照和耐高溫結構材料，冶金領域的輥環(huán)、導向輪、模具材料，以及機械加工領域的高速鋼材料等。

　　[0003]鉻鋁碳(Cr2AlC)是一種新型的三元納米層狀碳化物陶瓷，具有Ti6C八面體與Al層疊的納米層狀晶體結構，理論密度為5.23g/cm3，維氏硬度為3.5GPa，剪切模量為116GPa，彈性模量為278GPa，室溫抗彎強度為378MPa，室溫電導率為1.4 X 106S/m，可機械加工，抗高溫氧化性能好(參考文獻:Shibo Li等，Ceramics Internat1nal, 2013,39(3): 2715-2721.)。因此，將其作為Fe基復合材料增強相，可以具有很好的強度、硬度、抗高溫和耐磨性。但是，目前為止還沒有利用該新型陶瓷作為Fe基復合材料增強相的報道。

　　【發(fā)明內(nèi)容】

　　[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種以鉻鋁碳(Cr2AlC)和純鐵(Fe)為原料制成的Cr2AlC增強Fe基復合材料及其無壓制備方法。

　　[0005]本發(fā)明的技術方案:

　　[0006]本發(fā)明的Cr2AlC增強Fe基復合材料，其成分如下:

　　[0007]Cr2AlC的體積含量為5?40vol%，其余為Fe。

　　[0008]本發(fā)明的Cr2AlC增強Fe基復合材料，其顯微結構如下:

　　[0009]陶瓷相Cr2AlC與金屬相Fe基合金在三維空間各自呈連續(xù)分布，形成空間網(wǎng)絡交叉結構，兩者界面結合牢固。

　　[00?0]本發(fā)明的一種CnAlC增強Fe基復合材料無壓制備方法，優(yōu)選該方法包括如下各步驟:

　　[0011]步驟I，配料:將鉻鋁碳(Cr2AlC)粉和純鐵(Fe)粉按以下比例配料:

　　[0012]Cr2AlC = 3.4 ?30.7wt%，

　　[0013]Fe = 96.6?69.4wt% ;

　　[0014]步驟2，混料:稱取相應質(zhì)量的上述配料在無水乙醇介質(zhì)中球磨2?12小時，球料體積比為2:1?15:1，轉(zhuǎn)速為200?500r/min，將混合均勻的原料粉過篩后封存?zhèn)溆茫?/p>

　　[0015]步驟3，坯體成型:將一定質(zhì)量的混合原料粉料，裝入鋼制模具中，并施加50?200MPa的壓強，使模具中的粉料壓實成型，將冷壓成型后的坯體置入冷等靜壓機中在100?300MPa下進行冷等靜壓成型；

　　[0016]步驟4，燒結:將成型后的坯體放入石墨模具中，并將石墨模具置入真空燒結爐中，在氬氣保護下，以10?40°C/min的升溫速率，將爐溫升到1100?1500°C，保溫15?120mins;然后，隨爐自然降溫，冷卻后，即得到本發(fā)明的Cr2AlC增強Fe基復合材料。

　　[0017]本發(fā)明的有益效果如下:

　　[0018]本發(fā)明的Cr2AlC增強Fe基復合材料，其增強相與金屬基體結合緊密，組織均勻，力學性能高，耐磨性好，重量輕，耐高溫，耐輻照，抗氧化，在高溫下裂紋能通過氧化生成氧化鋁、氧化鉻而自愈合，且無壓制備工藝簡單，易于操作，成本低，適于批量生產(chǎn)，易于推廣。

　　[0019]采用本發(fā)明方法所制備的Cr2AlC增強Fe基復合材料可廣泛用于高鐵制動盤、燃氣輪機高溫葉片、核反應堆結構材料等機械、交通、能源與軍工等領域。

　　【附圖說明】

　　[0020 ]圖1是本發(fā)明的Cr 2AIC增強Fe基復合材料的表面微觀形貌掃描電鏡(SEM)照片。深色部分為Cr2AlC增強顆粒，淺色部分為Fe基體。

　　[0021 ]圖2是本發(fā)明的Cr2AlC增強Fe基復合材料的斷口微觀形貌掃描電鏡(SEM)照片。

　　【具體實施方式】

　　[0022]本發(fā)明中所用Cr2AlC粉為純度大于90%的高純Cr2AlC粉，

　　[0023]實施方式一

　　[0024]將Cr2AlC與Fe粉按照5:95的體積比配料，稱取純度為98%的高純Cr2AlC粉1.7克、純度為分析純的Fe粉48.3克，放入行星球磨機中，按照瑪瑙球與粉料球料比為10:1、無水乙醇與粉料的液料比為0.7:1、轉(zhuǎn)速為200r/min的條件下，球磨混合2小時，然后烘干、冷卻后先后過20目和120目的篩子過篩，將混合粉料置入鋼制模具中，在150MPa壓強下冷壓成型，再將冷壓成型后的坯體放入石墨模具中，并放入燒結爐中，在氬氣保護下進行無壓燒結，按10°C/min的升溫速率，將爐溫升至1100°C，保溫15min;然后將爐溫冷卻至80°C或以下時，樣品出爐，即制得本發(fā)明的Cr2AlC增強Fe基復合材料。

　　[0025]所制備Cr2AlC增強Fe基復合材料的布氏硬度為62.3HB，抗彎強度為186.8MPa。

　　[0026]實施方式二

　　[0027]將Cr2AlC與Fe粉按照10:90的體積比配料，稱取純度為98%的高純Cr2AlC粉3.4克、純度為分析純的Fe粉46.6克，放入行星球磨機中，按照瑪瑙球與粉料球料比為15:1、無水乙醇與粉料的液料比為0.7:1、轉(zhuǎn)速為250r/min的條件下，球磨混合5小時，然后烘干、冷卻后先后過20目和120目的篩子過篩，將混合粉料置入鋼制模具中，在200MPa壓強下冷壓成型，再將成型后的坯體用塑料包套住，再施加10MPa壓強進行冷等靜壓成型，將冷等靜壓成型后的坯體置入石墨模具中，然后放入燒結爐中，在氬氣保護下進行無壓燒結，按15°C/min的升溫速率，將爐溫升至1200°C，保溫30min;然后將爐溫冷卻至80°C或以下時，樣品出爐，SP制得本發(fā)明的Cr2AlC增強Fe基復合材料。

　　[0028]所制備Cr2AlC增強Fe基復合材料的布氏硬度為74HB，抗彎強度為202.4MPa。

　　[0029]實施方式三

　　[0030]將Cr2AlC與Fe粉按照15:75的體積比配料，稱取純度為98%的高純Cr2AlC粉5.2克、純度為分析純的Fe粉44.8克，放入行星球磨機中，按照瑪瑙球與粉料球料比為15:1、無水乙醇與粉料的液料比為0.7:1、轉(zhuǎn)速為300r/min的條件下，球磨混合10小時，然后烘干、冷卻后先后過20目和120目的篩子過篩，將混合粉料置入鋼制模具中，在200MPa壓強下冷壓成型，再將成型后的坯體用塑料包套住，再施加200MPa壓強進行冷等靜壓成型，將冷等靜壓成型后的坯體置入石墨模具中，然后放入燒結爐中，在氬氣保護下進行無壓燒結，按20°C/min的升溫速率，將爐溫升至1300°C，保溫60min;然后將爐溫冷卻至80°C或以下時，樣品出爐，SP制得本發(fā)明的Cr2AlC增強Fe基復合材料。

　　[0031 ] 所制備Cr2AlC增強Fe基復合材料的布氏硬度為118HB，抗彎強度為224MPa。

　　[0032]實施方式四

　　[0033]將Cr2AlC與Fe粉按照20: 80的體積比配料，稱取純度為98%的高純Cr2AlC粉7.1克、純度為分析純的Fe粉42.9克，放入行星球磨機中，按照瑪瑙球與粉料球料比為15:1、無水乙醇與粉料的液料比為0.7:1、轉(zhuǎn)速為400r/min的條件下，球磨混合15小時，然后烘干、冷卻后先后過20目和120目的篩子過篩，將混合粉料置入鋼制模具中，在10MPa壓強下冷壓成型，再將成型后的坯體用塑料包套住，再施加250MPa壓強進行冷等靜壓成型，將冷等靜壓成型后的坯體置入石墨模具中，然后放入燒結爐中，在氬氣保護下進行無壓燒結，按30°C/min的升溫速率，將爐溫升至1400°C，保溫90min;然后將爐溫冷卻至80°C或以下時，樣品出爐，SP制得本發(fā)明的Cr2AlC增強Fe基復合材料。

　　[0034]所制備Cr2AlC增強Fe基復合材料的布氏硬度為169HB，抗彎強度為258.9MPa。

　　[0035]實施方式五

　　[0036]將Cr2AlC與Fe粉按照30:70的體積比配料，稱取純度為98%的高純Cr2AlC粉11.1克、純度為分析純的Fe粉38.9克，放入行星球磨機中，按照瑪瑙球與粉料球料比為15:1、無水乙醇與粉料的液料比為0.7:1、轉(zhuǎn)速為500r/min的條件下，球磨混合24小時，然后烘干、冷卻后先后過20目和120目的篩子過篩，將混合粉料置入鋼制模具中，在50MPa壓強下冷壓成型，再將成型后的坯體用塑料包套住，再施加300MPa壓強進行冷等靜壓成型，將冷等靜壓成型后的坯體置入石墨模具中，然后放入燒結爐中，在氬氣保護下進行無壓燒結，按40°C/min的升溫速率，將爐溫升至1500°C，保溫120min;然后將爐溫冷卻至80°C或以下時，樣品出爐，即制得本發(fā)明的Cr2AlC增強Fe基復合材料。

　　[0037]所制備Cr2AlC增強Fe基復合材料的布氏硬度為66HB，抗彎強度為190.2MPa。

　　【主權項】

　　1.一種CT2A1C增強Fe基復合材料，其特征在于:其成分為: Cr2AlC在體積百分比含量為5%?40%，其余為Fe。2.一種Cr2AlC增強Fe基復合材料的無壓燒結制備方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 步驟1:配料:將鉻鋁碳(Cr2AlC)粉和鐵(Fe)粉按以下比例配料: Cr2AlC = 3.4?30.7wt%， Fe = 96.6?69.4wt % ; 步驟2:混料:將上述配料通過行星球磨機進行球磨混合、烘干、冷卻、過篩，球磨混合條件為:球料比5:1?15:1，轉(zhuǎn)速200?500r/min，球磨時間2?24小時，烘干溫度為60?70°C，過篩目數(shù)為70?120目，得到均勻細化的混合粉末； 步驟3:坯體成型:將步驟2中的混合粉末放入鋼制模具中進行冷壓成型，冷壓成型壓強為50?200MPa，然后將冷壓成型后的坯體通過冷等靜壓機進行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓強為 100?300MPa; 步驟4:燒結:將步驟3中的坯體放入石墨模具中進行無壓燒結，燒結工藝為在真空、氬氣或氮氣保護下，以10?40 °C/min的升溫速率，將爐溫升到1100?1500 °C，保溫15?120mins，冷卻后，即得到本發(fā)明的Cr2AlC增強Fe基復合材料。

　　【文檔編號】C22C33/02GK105908052SQ201610411041

　　【公開日】2016年8月31日

　　【申請日】2016年6月13日

　　【發(fā)明人】陳新華, 周素霞, 楊建偉, 張軍, 李慧君

　　【申請人】北京建筑大學