專利名稱：激光燃燒合成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于材料技術領域，特別涉及一種激光燃燒合成原位自生陶瓷相增強 Al-Cu基復合材料的方法。
背景技術：
目前，制備復合材料通常采用的制備方法是粉末冶金法和鑄造法，這樣在制備過 程中都經(jīng)歷了增強相的外加混合過程，而這一過程不可避免地會存在一定程度的顆粒表面 污染，如化合、氧化、油污等，并且顆粒增強相大都是第二相硬質(zhì)點，顆粒比較粗大，因而存 在界面結合問題，并存在著增強相加入的困難(尤其是微細粒子在基體內(nèi)均勻、彌散分布) 及工藝復雜、成本昂貴和增強體易偏聚等缺點，從而影響顆粒與基體的界面結合和材料的 整體綜合力學性能，如復合材料的硬度、耐磨性等。激光燃燒合成技術是近年來發(fā)展起來的引起材料界和工程界廣泛重視的新的材 料合成與復合技術，這種方法避免了常規(guī)材料復合方法中的顆粒界面污染問題.所以成為 合成與制備金屬陶瓷復合材料的重要方向之一；其制造工藝過程包括金屬粉末混合均勻 —壓制成型一激光燃燒合成。由于金屬粉末通過激光燃燒合成得到金屬的形坯件往往硬度 和耐磨性低，不能直接應用于實際生產(chǎn)需求；因此混粉時加入一定的合金元素，通過燃燒合 成使基材料內(nèi)部原位生成增強相，與基體一起構成復合材料。然而在許多情況下，需要加入 WC等硬質(zhì)相進行強化，而用傳統(tǒng)的工藝從黑鎢精礦或白鎢精礦生產(chǎn)碳化鎢，通常必須經(jīng)過 仲鎢酸銨生產(chǎn)、鎢粉制備和碳化等許多工序，生產(chǎn)成本高，工藝冗長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述燃燒合成復合材料制備工藝上的問題，提供一種激光燃 燒合成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料的方法，通過摻雜的WO3直接被還原，原位自 生陶瓷增強相WC，同時生成另一種增強相Al2O3，在簡化工序的同時，獲得硬度高韌性好，表 面耐磨性高的復合材料。
0005]本發(fā)明的方法按以下步驟進行1、將鎢精礦粉碎至粒度在100目以下，獲得鎢精礦粉；將粒度為200目以下 的鋁粉、銅粉和碳粉混合制成原始合金粉末，混合比例按重量比為鋁粉銅粉碳粉= 100 40 60 2 4;再將鎢精礦粉和原始合金粉末在球磨機中球磨混合4 8小時， 球磨速度為100 200rpm，鎢精礦與合金粉末的混合比例按重量比為合金粉末鎢精礦粉 =100 1 5，獲得混合粉末。2、將混合粉末材料以50 70KN壓力壓制成厚度為10 25mm的壓坯，然后在大 氣下采用CO2激光加工機發(fā)射高能激光束點燃壓坯表面，引發(fā)壓坯自蔓延燒結，生成原位自 生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料；激光輸出功率為650 850W，激光點燃時間為20 30s。上述方法中，自蔓延燒結的反應速度為1 2mm/s。
上述自蔓延燒結的反應方程式為W03+2A1+C = WC+A1203---(鎢精礦還原反應方程式及原位自生WC陶瓷顆粒反應 式)Al+Cu = AlCu-----(AlCu固溶體反應方程式)2A1+Cu = Al2Cu-----(金屬間化合物反應式)4Al+302 = 2A1203--------(自生陶瓷強化顆粒相反應式)上述方法獲得的原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料平均硬度值為360 410HK，相對耐磨性1. 7 2. 6。上述方法獲得的復合材料的組織物相由AlCu金屬間化合物+WC及Al2O3陶瓷相 +Al及Cu的固溶體物相組成；顆粒強化相的面積百分數(shù)為4. 7 6. 7%。本發(fā)明的原理是以激光為熱源，激光點燃速度快，能量密度高，反應速度容易控 制，點火安全；以鋁為還原劑，直接還原鎢精礦石粉末中的WO3,并在C粉的作用下碳化生成 WC ；熔融的Al阻礙WC顆粒的聚集長大，細小的WC顆粒彌散分布于熔體中，并作為α -Al 凝固時的異質(zhì)形核核心，有效地強化了基體，同時利用大氣中的氧生成另一種陶瓷增強相 Al2O3。采用帶有雜質(zhì)的鎢精礦石粉末，通過調(diào)整激光工藝參數(shù)控制蔓延反應速度；其中鎢精 礦石粉末中的雜質(zhì)對反應物料起到稀釋作用，利用雜質(zhì)的含量控制燃燒合成的蔓延反應速 度，使其燒結蔓延反應速度控制在1 2mm/s。原位自生的陶瓷相WC、Al2O3彌散分布在基 體中，大幅度提高了復合材料的強度及硬度，同時，陶瓷增強相顆粒間高韌性的鋁銅基粘結 相又賦予復合材料一定的韌性，在航空航天結構件、發(fā)動機活塞機輪等領域中有著廣闊應 用前景，極大地擴展了 Al-Cu基復合材料的制備方法。本發(fā)明采用激光點燃燃燒合成Al-Cu基鋁熱反應原位自生WC，并利用摻雜物相進 行燃燒蔓延速度控制，同時有效的避免了增強相顆粒表面污染，省去了復雜的工序，加工周 期短，成本低，節(jié)省能源；制備的復合材料具有硬度高，韌性好，表面耐磨性高的優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明實施例中的原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料微觀金相組織 SEM圖譜，圖中，魚骨狀組織為Al2Cu相，白色顆粒相為WC及Al2O3陶瓷顆粒，低襯度相為 AlCu固溶體。圖2為圖1的局部放大圖。
具體實施例方式本發(fā)明實施例中采用的CO2激光加工為HL-1500無氦橫流CO2激光加工機。本發(fā)明實施例中采用的鎢精礦含W0370 80wt%，余量為雜質(zhì)。本發(fā)明實施例中采用的鋁粉、銅粉和碳粉為普通工業(yè)產(chǎn)品；碳粉的純度大于 98wt % ο本發(fā)明實施例中壓制成的合金塊尺寸為直徑16mm的圓柱體。本發(fā)明實施例中壓制壓坯的設備為萬能液壓機。本發(fā)明實施例中耐磨性測試采用MM-200摩擦磨損試驗機，測試失重并與冶金燒 結FeAl合金相對比，得出相對耐磨性。
實施例1將鎢精礦粉碎至粒度在100目以下，獲得鎢精礦粉；將粒度為200目以下的 鋁粉、銅粉和碳粉混合制成原始合金粉末，混合比例按重量比為鋁粉銅粉碳粉= 100 40 2;再將鎢精礦粉和原始合金粉末在球磨機中球磨混合4小時，球磨速度為 200rpm，鎢精礦與合金粉末的混合比例按重量比為合金粉末鎢精礦粉=100 5，獲得混 合粉末。將混合粉末材料以50KN壓力壓制成厚度為25mm的壓坯，然后在大氣下采用CO2激 光加工機發(fā)射高能激光束點燃壓坯表面，引發(fā)壓坯自蔓延燒結，自蔓延燒結的反應速度為 lmm/s，生成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料；激光輸出功率為650W，激光點燃時間 為 30so獲得的原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料的微觀金相組織SEM圖如圖1和圖 2所示，其中魚骨狀組織為Al2Cu相，白色顆粒相為WC及Al2O3陶瓷顆粒，低襯度相為AlCu 固溶體。獲得的復合材料平均硬度380HK，以冶金燒結FeAl合金比較，相對耐磨性2. 4。獲得的復合材料中，顆粒強化相面積百分數(shù)為5. %。實施例2將鎢精礦粉碎至粒度在100目以下，獲得鎢精礦粉；將粒度為200目以下的 鋁粉、銅粉和碳粉混合制成原始合金粉末，混合比例按重量比為鋁粉銅粉碳粉= 100 50 3;再將鎢精礦粉和原始合金粉末在球磨機中球磨混合5小時，球磨速度為 160rpm，鎢精礦與合金粉末的混合比例按重量比為合金粉末鎢精礦粉=100 1，獲得混 合粉末。將混合粉末材料以60KN壓力壓制成厚度為IOmm的壓坯，然后在大氣下采用CO2激 光加工機發(fā)射高能激光束點燃壓坯表面，引發(fā)壓坯自蔓延燒結，自蔓延燒結的反應速度為 2mm/s，生成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料；激光輸出功率為700W，激光點燃時間 為 30so獲得的復合材料平均硬度410HK，以冶金燒結FeAl合金比較，相對耐磨性2. 6。獲得的復合材料中，顆粒強化相面積百分數(shù)為6. %。實施例3將鎢精礦粉碎至粒度在100目以下，獲得鎢精礦粉；將粒度為200目以下的 鋁粉、銅粉和碳粉混合制成原始合金粉末，混合比例按重量比為鋁粉銅粉碳粉= 100 60 4;再將鎢精礦粉和原始合金粉末在球磨機中球磨混合6小時，球磨速度為 120rpm，鎢精礦與合金粉末的混合比例按重量比為合金粉末鎢精礦粉=100 3，獲得混 合粉末。將混合粉末材料以70KN壓力壓制成厚度為15mm的壓坯，然后在大氣下采用0)2激 光加工機發(fā)射高能激光束點燃壓坯表面，引發(fā)壓坯自蔓延燒結，自蔓延燒結的反應速度為 lmm/s，生成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料；激光輸出功率為750W，激光點燃時間 為 25s。獲得的復合材料平均硬度360HK，以冶金燒結FeAl合金比較，相對耐磨性1. 7。獲得的復合材料中，顆粒強化相面積百分數(shù)為4. 7%。
實施例4將鎢精礦粉碎至粒度在100目以下，獲得鎢精礦粉；將粒度為200目以下的 鋁粉、銅粉和碳粉混合制成原始合金粉末，混合比例按重量比為鋁粉銅粉碳粉= 100 50 3;再將鎢精礦粉和原始合金粉末在球磨機中球磨混合8小時，球磨速度為 lOOrpm，鎢精礦與合金粉末的混合比例按重量比為合金粉末鎢精礦粉=100 4，獲得混 合粉末。將混合粉末材料以60KN壓力壓制成厚度為20mm的壓坯，然后在大氣下采用CO2激 光加工機發(fā)射高能激光束點燃壓坯表面，引發(fā)壓坯自蔓延燒結，自蔓延燒結的反應速度為 2mm/s，生成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料；激光輸出功率為850W，激光點燃時間 為 20s。獲得的復合材料平均硬度380HK，以冶金燒結FeAl合金比較，相對耐磨性1. 9。獲得的復合材料中，顆粒強化相面積百分數(shù)為5%。
權利要求
一種激光燃燒合成原位自生陶瓷相增強Al Cu基復合材料的方法，其特征在于按以下步驟進行(1)將鎢精礦粉碎至粒度在100目以下，獲得鎢精礦粉；將粒度為200目以下的鋁粉、銅粉和碳粉混合制成原始合金粉末，混合比例按重量比為鋁粉∶銅粉∶碳粉＝100∶40～60∶2～4；再將鎢精礦粉和原始合金粉末在球磨機中球磨混合4～8小時，球磨速度為100～200rpm，鎢精礦與合金粉末的混合比例按重量比為合金粉末∶鎢精礦粉＝100∶1～5，獲得混合粉末；(2)將混合粉末材料以50～70KN壓力壓制成厚度為10～25mm的壓坯，然后在大氣下采用CO2激光加工機發(fā)射高能激光束點燃壓坯表面，引發(fā)壓坯自蔓延燒結，生成原位自生陶瓷相增強Al Cu基復合材料；激光輸出功率為650～850W，激光點燃時間為20～30s。
2.根據(jù)權利要求1所述的激光燃燒合成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料的方 法，其特征在于所述的自蔓延燒結的反應速度為1 2mm/s。
3.根據(jù)權利要求1所述的激光燃燒合成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料的方 法，其特征在于所述的原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料平均硬度值為360 410HK， 相對耐磨性1. 7 2. 6。
4.根據(jù)權利要求1所述的激光燃燒合成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料的方 法，其特征在于所述的原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料中顆粒強化相的面積百分數(shù) 為 4. 7 6· %。
全文摘要
一種激光燃燒合成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料的方法，屬于材料技術領域，按以下步驟進行將鎢精礦粉碎獲得鎢精礦粉；將鋁粉、銅粉和碳粉混合制成原始合金粉末，再將鎢精礦粉和原始合金粉末在球磨機中球磨混合，獲得混合粉末；將混合粉末材料壓制成壓坯，然后發(fā)射高能激光束點燃壓坯表面，引發(fā)壓坯自蔓延燒結，生成原位自生陶瓷相增強Al-Cu基復合材料。本發(fā)明采用激光點燃燃燒合成Al-Cu基鋁熱反應原位自生WC，并利用摻雜物相進行燃燒蔓延速度控制，同時有效的避免了增強相顆粒表面污染，省去了復雜的工序，加工周期短，成本低，節(jié)省能源。
文檔編號C22C1/05GK101906564SQ20101026756
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權日2010年8月31日
發(fā)明者李剛, 水東莉 申請人:遼寧工程技術大學