專利名稱：：陶瓷增強金屬基多孔復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種金屬基多孔復(fù)合材料制備方法，特別涉及一種A1203陶瓷增強Fe-Cr-Ni金屬基多孔復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
：我國粉末燒結(jié)多孔材料方面已有一定的生產(chǎn)能力，如燒結(jié)青銅、不銹鋼、鎳及鎳合金、鈦等材料的產(chǎn)量就分別達到90萬件、3.6萬件、0.7萬件和1.6萬件。然而，國內(nèi)生產(chǎn)的金屬多孔材料主要是銅、鎳、鈦、不銹鋼燒結(jié)多孔材料和不銹鋼纖維氈材料；國外除了這些以外，還大量生產(chǎn)復(fù)合金屬絲網(wǎng)和泡沫金屬材料，并正在開發(fā)新型的復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔材料，如多孔陶瓷金屬復(fù)合材料。多孔金屬由金屬骨架及孔隙所組成，具有金屬材料的可焊性等基本的金屬屬性。大量的內(nèi)部孔隙又使多孔金屬材料具有諸多優(yōu)異的特性，如比重小、比表面大、能量吸收性好、導(dǎo)熱率低(閉孔體)、換熱散熱能力高(通孔體)、吸聲性好(通孔體)、滲透性優(yōu)(通孔體)、電磁波吸收性好(通孔體)、阻焰、耐熱耐火、抗熱震、氣敏(一些多孔金屬對某些氣體十分敏感)、能再生、加工性好，等等。相對金屬材料，多孔有機高分子材料強度低且不耐高溫，多孔陶瓷則質(zhì)脆且不抗熱震，金屬多孔材料兼有兩者的優(yōu)點，因此，被廣泛應(yīng)用于航空航天、原子能、電化學(xué)、石油化工、冶金、機械、醫(yī)藥、環(huán)保、建筑行業(yè)等等。另外，還可制作多種的復(fù)合材料和填充材料。多孔金屬既可作為許多場合的功能材料，也可作為一些場合的結(jié)構(gòu)材料，而一般情況下它兼有功能和結(jié)構(gòu)雙重作用，是一種性能優(yōu)異的多用工程材料。多孔高溫合金也是先進材料中發(fā)展較迅速的一種材料，目前作為一種新型的材料在結(jié)構(gòu)、緩沖、減振、消音、過濾、散熱和催化等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用。制備陶瓷增強高溫合金多孔材料結(jié)合了復(fù)合材料與多孔材料制備方法，其中粉末冶金工藝最初主要應(yīng)用于鎢、鉬等高熔點金屬材料或者難熔材料。自二戰(zhàn)以后，尤其是近些年來新材料的制備技術(shù)開發(fā)使其應(yīng)用范圍不斷擴大，金屬基復(fù)合材料就是其中重要的一類。還有自蔓延法、腐蝕造孔法、原位氣體發(fā)生法、原位反應(yīng)法等幾種工藝制備方法。中國專利(CN1351183)公開了一種多孔金屬的制備方法，把粉末狀的鹽和金屬粉末的混合物加熱到比鹽的熔融溫度低、比金屬粉末的熔融溫度高的溫度，使上述金屬粉末熔融等工藝制備出多孔金屬。但是，中國專利(CN1351183)為金屬熔融造孔工藝，中國專利(CN1360641)也提到了使金屬原料熔融這一工序，這些工藝需要在高溫下才能制備出多孔材料，一般在100(TC以上。用這種方法制備的多孔材料周期較長，能耗大，成本較高，并且不適用于制備高熔點的多孔高溫合金復(fù)合材料。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種低成本低溫快速制備納米A1203陶瓷原位增強Fe-Cr-Ni基高溫合金多孔復(fù)合材料的方法。該方法可大大降低制備溫度，縮短制備時間，又可降低生產(chǎn)成本。為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是，包括下述步驟1)將納米級氧化物粉末Fe203、Cr203、Ni203，及微米級的Al、Fe、Ni、Cr粉末以反應(yīng)式2aAl+0.494Fe+O318Cr+0.188Ni+3aO"^aAl2Q3+Feb.wCr0318Nio.188(1)的化學(xué)計量比為基礎(chǔ)，換算成質(zhì)量百分比，稱量、混合；式中0.094《a《0,247;其中的氧由氧化物粉末Fe203、Cr203、^203提供；2)將混合粉末裝入球磨罐，用Al203磨球濕法混磨至少48小時；3)將球磨好的粉料于507(TC干燥；4)將千燥料過200目分樣篩；5)將過篩粉體在模壓機上進行預(yù)壓制備初坯；6)對初坯進行氣孔率測試，調(diào)整預(yù)壓力使初坯的氣孔率在50%60%;7)將初坯放入真空爐中進行真空燒結(jié)，以1015'C/min的速率升溫，并在80(TC保溫2小時，然后隨爐冷卻；8)取出燒結(jié)體，經(jīng)打磨、拋光，最終獲得陶瓷增強金屬基多孔復(fù)合材料試樣。上述方案中，所述步驟1)中，將納米級氧化物粉末Fe203、Cr203、Ni203，及微米級的A1、Fe、Ni、Cr粉末可按以下反應(yīng)式0.494Al+0274Fp2(VO.318CrH).188Ni—0247Al2Q3+Fe^wCr咖8Nia股(2)0.188AW).094Ni2QrK).318CrK).494Fe—0.094Al2Q3+Fei^CrQ3,8Nio巡(3)0.318細.159CrA+O.188Ni+0.494Fe—0.159AlA+Feo鵬Cro3美股(4)中的任一個化學(xué)計量比，或者采用式(2)式(4)中的任何兩個或三個化學(xué)計量比進行組合，換算成質(zhì)量百分比，稱量、混合。也可在上述混合的粉末中，外加質(zhì)量為1%的下列元素C、B、Zr、Mg、Ce、Ca、Ba、La、W、Mo、Nb、Ta、Hf中的任一種。本發(fā)明通過采用粉末冶金混合組分法制備預(yù)制粉體，壓制成坯后在真空下進行無壓燒結(jié)。整個燒結(jié)過程中利用鋁熱原位反應(yīng)的方式進行，放出大量熱量引發(fā)自蔓延使鋁與原始的氧化物通過反應(yīng)制備納米陶瓷相，置換出的金屬與原始金屬固溶反應(yīng)生成納米陶瓷增強高溫合金。通過使用不同的氧化物作為反應(yīng)物的組合可以獲得不同的氧化鋁含量。在組成配比中配以多種微量合金元素，可調(diào)節(jié)氣孔率和提高材料的力學(xué)性能。采用本發(fā)明方法制備納米增強金屬基多孔復(fù)合材料，燒結(jié)溫度低，僅為80(TC，且原位反應(yīng)快速、制備周期短、制備成本低。所獲得的多孔復(fù)合材料具有較高的氣孔率和良好的力學(xué)性能，密度可達到2.45g/cm32.65g/cm3，孔隙率控制在60%左右。本發(fā)明能夠通過材料的相組成和結(jié)構(gòu)、性能的設(shè)計調(diào)控制備出滿足不同需求的一系列納米陶瓷增強高溫合金材料。不但可以提高高溫合金的高溫使用性能，還能降低材料的密度和成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。圖1為本發(fā)明實施例1組成所制備出的納米Al203陶瓷原位增強Fe-Cr-Ni高溫合金多孔復(fù)合材料的XRD衍射圖。由圖可以看出，在燒結(jié)溫度為800°C，保溫2小時的燒結(jié)工藝下，鋁熱反應(yīng)完全，生成預(yù)定的多孔陶瓷金屬復(fù)合材料。圖2為本發(fā)明實施例l組成所制備出的納米Al203陶瓷原位增強Fe-Cr-Ni高溫合金多孔復(fù)合材料的SEM照片。由圖可以看出，樣品氣孔較小且分布均勻，孔徑為10mjii左右，基體間相互連接形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，氣孔分布在連接處。具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，但本發(fā)明不限于這些實施例。應(yīng)用鋁熱原位反應(yīng)技術(shù)低溫快速制備納米陶瓷增強金屬(Fe-Cr-Ni合金)基多孔復(fù)合材料的制備方法。本實驗采用粉末冶金混合組分法制備預(yù)制粉體，將原始粉末(實驗用粉末特性見表l)的Fe203(納米)、Cr203(納米)、Ni203(納米)、Al(微米)、Fe(微米)、Ni(微米)、Cr(微米)按前述反應(yīng)式(2)、(3)或(4)及組合的化學(xué)計量比混合，壓制成坯后在真空下進行無壓燒結(jié)。整個燒結(jié)過程中利用鋁熱反應(yīng)進行，使鋁與原始的氧化物通過反應(yīng)制備納米陶瓷相，置換出的金屬與原始金屬固溶反應(yīng)生成高溫合金。具體步驟如下1)將表1粉末按照前面不同反應(yīng)式的化學(xué)計量比例及組合換算成質(zhì)量百分比，然后稱量并混合，實施例17組成列于表2;2)將表2實施例17組成的混合物分別裝入球磨罐，利用丙酮介質(zhì)在球磨機中濕混球磨48h(使用A1203磨球)；表1實驗用粉末特性<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2本發(fā)明納米陶瓷原位增強金屬基多孔復(fù)合材料的組成質(zhì)量%<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>3)將球磨好的粉料放入烘箱中507(TC干燥24小時；4)將干燥料過200目分樣篩；5)獲得的實施例17組成的粉體分別在模壓機上進行預(yù)壓制備初坯，壓力為50MPa;6)對初坯進行氣孔率測試，調(diào)整預(yù)壓力使氣孔率控制在50%60%;7)在真空爐中對實施例17組成的初坯進行真空燒結(jié)，以1015°C/min升溫速率升溫，并在800'C保溫2小時，然后隨爐冷卻；8)取出燒結(jié)體，經(jīng)過打磨、拋光，最終獲得實施例17組成的納米氧化鋁增強Fe-Cr-Ni金屬基多孔復(fù)合材料試樣。上述步驟1)中，在實施例1組成的基礎(chǔ)上，可外加1%質(zhì)量的下列元素:C、B、Zr、Mg、Ce、Ca、Ba、La、W、Mo、Nb、Ta、Hf中的任一種，獲得實施例820的組成試樣，參見表3。表3本發(fā)明納米陶瓷原位增強金屬基多孔復(fù)合材料外加微量元素的組成<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>本發(fā)明合成得到的實施例120納米陶瓷原位增強金屬基多孔復(fù)合材料，分別在分析天平、電子萬能試驗機、D/max-3A型X射線衍射儀、SX-2700掃描電鏡上分別測試它們的氣孔率和力學(xué)性能以及觀察產(chǎn)品的斷口形貌，表4列出了對應(yīng)表2所示實施例17的合成納米陶瓷原位增強金屬基多孔復(fù)合材料的氣孔率和力學(xué)性能的測試結(jié)果。表4實施例17的納米陶瓷原位增強金屬基多孔復(fù)合材的力學(xué)特性<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表5列出了對應(yīng)表3實施例820的合成納米陶瓷原位增強金屬基多孔復(fù)合材料的氣孔率和力學(xué)性能的測試結(jié)果。從表4、表5可看出，80(TC保溫2小時可以使粉體充分反應(yīng)燒結(jié)，且將氣孔率控制在60%左右；在預(yù)制成型壓力為50MPa下，根據(jù)不同的組成，氣孔率變化范圍為55°/。65%;彎曲強度變化范圍為5070MPa。其中實施例16具有較優(yōu)良的力學(xué)性能。并且通過XRD衍射得知，混合料通過鋁熱原位反應(yīng)設(shè)計完全達到預(yù)期的產(chǎn)品成分(圖l);通過SEM顯微鏡下觀察到合金骨架致密，結(jié)構(gòu)緊湊，并且氣孔分布均勻(圖2)。表5實施例810的納米陶瓷原位增強金屬基多孔復(fù)合材的力學(xué)特性<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權(quán)利要求1.一種陶瓷增強金屬基多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括下述步驟1)將納米級氧化物粉末Fe2O3、Cr2O3、Ni2O3，及微米級的Al、Fe、Ni、Cr粉末以反應(yīng)式2aAl+0.494Fe+0.318Cr+0.188Ni+3aO→aAl2O3+Fe0.494Cr0.318Ni0.188(1)的化學(xué)計量比為基礎(chǔ)，換算成質(zhì)量百分比，稱量、混合；式中0.094≤a≤0247；其中的氧由氧化物粉末Fe2O3、Cr2O3、Ni2O3提供；2)將混合粉末用Al2O3磨球濕法混磨至少48小時；3)將球磨好的粉料于50～70℃干燥；4)將干燥料過200目分樣篩；5)將過篩粉體在模壓機上進行預(yù)壓制備初坯；6)對初坯進行氣孔率測試，調(diào)整預(yù)壓力使初坯的氣孔率在50％～60％；7)將初坯放入真空爐中進行真空燒結(jié)，以10～15℃/min的速率升溫，并在800℃保溫2小時，然后隨爐冷卻；8)取出燒結(jié)體，經(jīng)打磨、拋光，最終獲得陶瓷增強金屬基多孔復(fù)合材料試樣。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷增強金屬基多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟l)中，將納米級氧化物粉末Fe203、Cr203、Ni203，及微米級的A1、Fe、Ni、Cr粉末按以下反應(yīng)式0.494Al+0.274Fe2QrK).318Crf0.188Ni—0247AlA+Fe&柳Cro3美,88(2)0.188AHO.094M2Q3HK).318CrH).494Fe—0.094"203龜?shù)?03美188(3)0318Al+0.159Cr2QrK).188Ni+0.494Fe—0.159Al2Q3+Feo.4WCr0318Nio.188(4)中的任一個化學(xué)計量比，或者按式(2)式(4)中的任兩個或三個化學(xué)計量比進行組合，換算成質(zhì)量百分比，稱量、混合。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陶瓷增強金屬基多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在所述步驟l)組成的混合粉末中，外加質(zhì)量為1%的下列元素C、B、Zr、Mg、Ce、Ca、Ba、La、W、Mo、Nb、Ta、Hf中的任一種。全文摘要本發(fā)明公開了一種低成本低溫快速制備納米Al₂O₃陶瓷原位增強Fe-Cr-Ni基高溫合金多孔復(fù)合材料的方法。采用粉末冶金混合組分法制備起始粉體，將納米級Fe₂O₃、Cr₂O₃、Ni₂O₃，微米級Al、Ni、Cr、Fe原始粉末按反應(yīng)式的化學(xué)計量比換算成質(zhì)量百分比稱重混合，壓制成坯后在真空下于800℃進行無壓燒結(jié)，整個燒結(jié)過程中利用鋁熱反應(yīng)方式進行，在組成配比中可配以微量多種合金元素來調(diào)節(jié)氣孔率和提高材料的力學(xué)性能。該方法可大大降低制備溫度，縮短制備時間，又可降低生產(chǎn)成本。文檔編號C22C1/05GK101168805SQ20071001903公開日2008年4月30日申請日期2007年11月9日優(yōu)先權(quán)日2007年11月9日發(fā)明者喬冠軍,初叢陽,楊建鋒,暢陳,高積強申請人:西安交通大學(xué)