原位自生納米Al₂O₃增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于合金材料技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種原位自生納米Al2O3增韌WC?Ni3Al復(fù)合材料及其制備方法。所述方法為：將Ni、Al、Cr、Mo、Zr、B原料粉末按質(zhì)量比配料，置于球磨機(jī)中干式球磨，制得Ni3Al金屬間化合物粉末；然后將其與WC粉末置于溶劑中進(jìn)行濕式球磨，制得混合漿料，混合漿料烘干至溶劑殘余量≤1％，碾碎、過篩，得到顆粒尺寸≤250μm的混合粉末；采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)對上述混合粉末進(jìn)行燒結(jié)，得到產(chǎn)物。本發(fā)明采用原位自生法在WC基體中引入納米Al2O3，并用Ni3Al金屬間化合物替代Co增韌增強(qiáng)WC復(fù)合材料，具有成本低、力學(xué)性能優(yōu)的特點。
【專利說明】
原位自生納米A1203増韌WC-N i 3AI復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]純WC-Co硬質(zhì)合金由于在高溫下的硬度和強(qiáng)度均會劇烈下降，作為刀具材料，在高切削速度下的使用將會受到限制，另外還很有可能會使合金的耐磨性下降，特別是在高溫下的氧化和耐腐蝕性能差等，均會使得WC硬質(zhì)合金容易出現(xiàn)過快失效，從而限制了 WC硬質(zhì)合金的應(yīng)用范圍。為此，各研究者為了拓寬WC類材料的應(yīng)用范圍而做出的努力，最終提出了以金屬間化合物Ni3Al替代Co增韌WC基復(fù)合材料的設(shè)想，并分析了其可行性。
[0003]中國專利200910039671.8公開了一種WC-增韌增強(qiáng)Ni3Al硬質(zhì)合金及其制備方法，該方法是利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備WC-M3A1復(fù)合材料，獲得的復(fù)合材料有著良好的韌性和高溫性能。在一般陶瓷材料中，通過外加納米顆粒對材料進(jìn)行強(qiáng)韌化處理，可以有效地提高材料的強(qiáng)度和韌性，但是這種外加納米顆粒的方法往往存在著顆粒容易團(tuán)聚，難以分散等問題，使得其可操作性大大降低。本專利提出了一種原位自生納米Al2O3協(xié)同粘結(jié)相Ni3Al增韌的碳化鎢復(fù)合材料及制備方法。這種原位生成的方法不僅可增韌陶瓷基體，而且可以很好地解決通常外加納米顆粒時遇到的顆粒容易團(tuán)聚，難以分散等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的首要目的在于提供一種原位自生納米Al2O3增韌WC-M3A1復(fù)合材料的制備方法。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供一種通過上述方法制備得到的原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料。
[0006]本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0007]—種原位自生納米Al2O3增韌WC_Ni3Al復(fù)合材料的制備方法，包括以下制備步驟:
[0008](I)機(jī)械合金化制備Ni3Al粉末:按以下質(zhì)量百分比的原料粉末配料:Ni 79.52?82.57%、A1 8.0?8.14%、Cr 5.23?7.83%、Mo 1.43?7.02%、Zr O?1.70%、B 0.005?
0.01%,其余為不可避免的微量雜質(zhì);將上述原料粉末置于球磨機(jī)中干式球磨，制得顆粒尺寸彡250μπι的Ni3Al金屬間化合物粉末；
[0009](2)將上述Ni3Al金屬間化合物粉末與WC粉末置于溶劑中進(jìn)行濕式球磨，制得混合漿料，然后將上述混合漿料烘干至溶劑殘余量< I %，碾碎、過篩，得到顆粒尺寸< 250μπι的混合粉末；
[0010](3)采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)對上述混合粉末進(jìn)行燒結(jié)，得到所述原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料。
[0011]優(yōu)選地，步驟(I)中所述N1、Al、Cr、Mo、Zr粉末純度彡99.9%,粒度為I?3μπι，B粉末為純度多99.0 %的無定形高純硼粉。
[0012]所述干式球磨的條件優(yōu)選為:球磨材質(zhì)采用WC硬質(zhì)合金，球料比為10:1，轉(zhuǎn)速266r/min，并采用高純Ar氣作為保護(hù)氣氛。
[0013]優(yōu)選地，步驟(2)中所述Ni3A1金屬間化合物粉末與WC粉末的質(zhì)量比為(6?14):(86 ?94)。
[0014]所述WC粉末優(yōu)選純度彡99.9%、粒度為2?8μπι的WC粉末。
[0015]所述的溶劑優(yōu)選乙醇或水。
[0016]所述濕式球磨的條件優(yōu)選為:磨球材質(zhì)為WC-Co硬質(zhì)合金，球料比為5:1，轉(zhuǎn)速180r/mino
[0017]優(yōu)選地，步驟(3)中所述放電等離子燒結(jié)的條件如下:
[0018]燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，
[0019]燒結(jié)壓力:30?70MPa，
[0020]燒結(jié)升溫速率:50?300 °C/min，
[0021]燒結(jié)溫度:1200?1400°C，
[0022]燒結(jié)保溫時間:0?20min，
[0023]燒結(jié)真空度:彡6Pa。
[0024]—種原位自生納米AI2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料，通過上述方法制備得到；上述復(fù)合材料中，所含原位自生納米氧化鋁的質(zhì)量百分含量為I?7%，鎳三鋁的質(zhì)量百分含量為2?15%，其余為碳化鎢以及不可避免的雜質(zhì)相。
[0025]本發(fā)明的制備方法及所得到的產(chǎn)物具有如下優(yōu)點及有益效果:
[0026](I)本發(fā)明制備的WC復(fù)合材料是一種由原位自生納米氧化鋁增韌的復(fù)合材料，其粘結(jié)相為Ni3Al金屬間化合物，通過合理添加多種合金元素使其具有優(yōu)良的硬度、耐磨性和高溫力學(xué)性能。其中，添加鉻元素可以減小環(huán)境脆化和高溫氧化脆性;添加鉬元素可以增加高溫強(qiáng)度;添加鋯元素可以減少凝固收縮和宏觀空洞;添加硼元素則可改善室溫延展性。燒結(jié)過程中，粉末中不可避免的氧元素與WC中的碳元素發(fā)生反應(yīng)形成CO析出，導(dǎo)致局部缺碳，進(jìn)而促進(jìn)η相(Ni2W4C、M6C)的產(chǎn)生，剩余的鋁元素則更容易與氧元素發(fā)生反應(yīng)，最終形成自生的納米氧化鋁，與粘結(jié)相Ni3Al同時增韌增強(qiáng)WC復(fù)合材料。
[0027](2)本發(fā)明制備的WC復(fù)合材料利用Ni 3A1金屬間化合物替代Co，與傳統(tǒng)WC-Co硬質(zhì)合金相比，它不僅可以降低成本，還可以節(jié)約稀缺而且具戰(zhàn)略性的Co資源。
[0028](3)本發(fā)明的制備方法采用了原位自生法在WC基體中引入納米Al2O3,充分利用了不可避免的氧元素以及M3A1氧化的特點。在初始材料粉末的準(zhǔn)備中，只需將預(yù)制備的Ni3Al粉末和WC粉末充分均勻混合即可以在隨后的燒結(jié)過程中在WC晶間生成均勻分布的納米A1203。為此本發(fā)明不但很好地利用了氧元素的負(fù)面作用，而且也解決了外加納米顆粒時遇到的顆粒容易團(tuán)聚，難以分散等問題。
【附圖說明】
[0029]圖1為實施例1所得原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料的SEM圖((a):放大倍數(shù)為20000倍，(b)放大倍數(shù)為40000倍)。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0031]實施例1
[0032](I)機(jī)械合金化制備Ni3A1粉末:按以下質(zhì)量百分比的原料粉末配料:Ni 81.1%,Al 8.0%Xr 7.7%、Μο 1.43%、Zr 1.70%、Β 0.008%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)，其中N1、Al、Cr、Mo、Zr粉末純度彡99.9%、粒度l?3μm，B粉末純度彡99.0%，為無定形的高純硼粉;將上述原料粉末置于行星式球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，球磨材質(zhì)采用WC硬質(zhì)合金，球料比為10:1，轉(zhuǎn)速266r/min，并采用高純Ar氣作為保護(hù)氣氛，球磨30小時制得顆粒尺寸彡250μπι的Ni 3Α1金屬間化合物粉末；
[0033](2)將上述Ni3Al金屬間化合物粉末10%與WC粉末(WC粉末純度彡99.9%、粒度2?8μπι)90%按質(zhì)量比置于乙醇中進(jìn)行濕式低能球磨，所用球磨機(jī)為行星式，球磨確與磨球材質(zhì)為WC-Co硬質(zhì)合金，球料比為5:1，在轉(zhuǎn)速180r/min工況下，球磨30小時制得混合楽料，然后將上述混合漿料置于干燥爐內(nèi)烘干至溶劑殘余量<1%，碾碎、過篩，得到顆粒尺寸<250μπι的混合粉末；
[0034](3)將步驟(2)所得混合粉末稱取27g裝入直徑為Φ20πιπι的石墨燒結(jié)模具中進(jìn)行放電等離子一步燒結(jié)，燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，其中燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1400 0C，升溫速率為100 0C/min，保溫時間為5min，真空度為4Pa。得到原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料。
[0035]本實施例所得原位自生納米Al2O3增韌WC_Ni3Al復(fù)合材料的SEM圖像((a):放大倍數(shù)為20000倍，(b)放大倍數(shù)為40000倍)如圖1所示，圖中有黑色點狀相和灰色塊狀相兩種，其中黑色相為納米氧化鋁，WC相呈板條狀。經(jīng)計算，圖中含原位自生納米Al2O3的質(zhì)量百分比約為7.0 %。上述原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料，其硬度為HV1Q 19.59GPa，斷裂韌性為 11.86MPa.m1/2。
[0036]實施例2
[0037]步驟(I)和(2)同實施例1;
[0038](3)將步驟(2)所得混合粉末稱取27g裝入直徑為Φ20πιπι的石墨燒結(jié)模具中進(jìn)行放電等離子一步燒結(jié)，燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，其中燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1200 0C，升溫速率為100 0C/min，保溫時間為5min，真空度為4Pa。得到原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料。
[0039]本實施例所得原位自生納米Al2O3增韌WC-M3A1復(fù)合材料含原位自生納米氧化鋁的質(zhì)量百分比約為6.5%，其硬度為HViq 20.44GPa，斷裂韌性為9.30MPa.πιν2。
[0040]實施例3
[0041]步驟(I)同實施例1;
[0042](2)將上述Ni3Al金屬間化合物粉末6%與WC粉末(WC粉末純度彡99.9%、粒度2?8μπι)94%按質(zhì)量比置于乙醇中進(jìn)行濕式低能球磨，所用球磨機(jī)為行星式，球磨確與磨球材質(zhì)為WC-Co硬質(zhì)合金，球料比為5:1，在轉(zhuǎn)速180r/min工況下，球磨30小時制得混合漿料，然后將上述混合漿料置于干燥爐內(nèi)烘干至溶劑殘余量彡I %，碾碎、過篩，得到顆粒尺寸彡250μπι的混合粉末；
[0043](3)將步驟(2)所得混合粉末稱取27g裝入直徑為Φ20πιπι的石墨燒結(jié)模具中進(jìn)行放電等離子一步燒結(jié)，燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，其中燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1400 °C，升溫速率為100 °C/min，保溫時間為5min，真空度為4Pa。得到原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料。
[0044]本實施例所得原位自生納米Al2O3增韌WC-M3A1復(fù)合材料含原位自生納米氧化鋁的質(zhì)量百分比約為3.1%，其硬度為HViq 20.45GPa，斷裂韌性為10.35MPa.πιν2。
[0045]實施例4
[0046]步驟(I)同實施例1;
[0047](2)將上述Ni3Al金屬間化合物粉末14%與WC粉末(WC粉末純度彡99.9%、粒度2?8μπι)86%按質(zhì)量比置于乙醇中進(jìn)行濕式低能球磨，所用球磨機(jī)為行星式，球磨確與磨球材質(zhì)為WC-Co硬質(zhì)合金，球料比為5:1，在轉(zhuǎn)速180r/min工況下，球磨30小時制得混合楽料，然后將上述混合漿料置于干燥爐內(nèi)烘干至溶劑殘余量<1%，碾碎、過篩，得到顆粒尺寸<250μπι的混合粉末；
[0048](3)將步驟(2)所得混合粉末稱取27g裝入直徑為Φ20πιπι的石墨燒結(jié)模具中進(jìn)行放電等離子一步燒結(jié)，燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，其中燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1400 0C，升溫速率為100 0C/min，保溫時間為5min，真空度為4Pa。得到原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料。
[0049]本實施例所得原位自生納米Al2O3增韌WC-M3A1復(fù)合材料含原位自生納米氧化鋁的質(zhì)量百分比約為6.9%，其硬度為HViq 18.23GPa，斷裂韌性為11.54MPa.πιν2。
[0050]實施例5
[0051 ] (I)機(jī)械合金化制備Ni3Α1粉末:按以下質(zhì)量百分比的原料粉末配料:Ni 79.52%,Al 8.1% Xr 5.23%、Mo 7.02%^Zr 0.13%^B 0.005%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)，其中N1、Al、Cr、Mo、Zr粉末純度彡99.9%、粒度I?3μπι，Β粉末純度彡99.0%，為無定形的高純硼粉;將上述原料粉末置于行星式球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，球磨材質(zhì)采用WC硬質(zhì)合金，球料比為10:1，轉(zhuǎn)速266r/min，并采用高純Ar氣作為保護(hù)氣氛，球磨30小時制得顆粒尺寸<250μm的Ni3Al金屬間化合物粉末；
[0052](2)將上述Ni3Al金屬間化合物粉末10%與WC粉末(WC粉末純度彡99.9%、粒度2?8μπι)90%按質(zhì)量比置于乙醇中進(jìn)行濕式低能球磨，所用球磨機(jī)為行星式，球磨確與磨球材質(zhì)為WC-Co硬質(zhì)合金，球料比為5:1，在轉(zhuǎn)速180r/min工況下，球磨30小時制得混合楽料，然后將上述混合漿料置于干燥爐內(nèi)烘干至溶劑殘余量<1%，碾碎、過篩，得到顆粒尺寸<250μπι的混合粉末；
[0053](3)將步驟(2)所得混合粉末稱取27g裝入直徑為Φ20πιπι的石墨燒結(jié)模具中進(jìn)行放電等離子一步燒結(jié)，燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，其中燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1400 0C，升溫速率為100 0C/min，保溫時間為5min，真空度為4Pa。得到原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料。
[0054]本實施例所得原位自生納米Al2O3增韌WC_Ni3Al復(fù)合材料含原位自生納米氧化鋁的質(zhì)量百分比約為5.2%，其硬度為HViq 20.53GPa，斷裂韌性為10.52MPa.πιν2。
[0055]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種原位自生納米Al2O3增韌WC-M3A1復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括以下制備步驟: (1)機(jī)械合金化制備Ni3A1粉末:按以下質(zhì)量百分比的原料粉末配料:Ni79.52?82.57%、A1 8.0?8.14%、Cr 5.23?7.83%、Mo 1.43?7.02%、Zr O?1.70%、B 0.005?0.01%,其余為不可避免的微量雜質(zhì);將上述原料粉末置于球磨機(jī)中干式球磨，制得顆粒尺寸彡250μπι的Ni3Al金屬間化合物粉末； (2)將上述M3A1金屬間化合物粉末與WC粉末置于溶劑中進(jìn)行濕式球磨，制得混合漿料，然后將上述混合漿料烘干至溶劑殘余量<1%，碾碎、過篩，得到顆粒尺寸<250μπι的混合粉末； (3)采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)對上述混合粉末進(jìn)行燒結(jié)，得到所述原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟(I)中所述N1、Al、Cr、Mo、Zr粉末純度彡99.9%,粒度為I?3μπι，B粉末為純度彡99.0%的無定形高純硼粉。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述干式球磨的條件為:球磨材質(zhì)采用WC硬質(zhì)合金，球料比為10:1，轉(zhuǎn)速266r/min，并采用高純Ar氣作為保護(hù)氣氛。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟(2)中所述Ni 3A1金屬間化合物粉末與WC粉末的質(zhì)量比為(6?14):(86?94)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述WC粉末是指純度彡99.9%、粒度為2?8μπι的WC粉末。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述的溶劑是指乙醇或水。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述濕式球磨的條件為:磨球材質(zhì)為WC-Co硬質(zhì)合金，球料比為5:1，轉(zhuǎn)速180r/min。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種原位自生納米Al2O3增韌WC-Ni3Al復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:步驟(3)中所述放電等離子燒結(jié)的條件如下: 燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流， 燒結(jié)壓力:3O?7OMPa, 燒結(jié)升溫速率:50?300 0C/min， 燒結(jié)溫度:1200?1400 °C， 燒結(jié)保溫時間:0?20min， 燒結(jié)真空度:彡6Pa。9.一種原位自生納米Al2O3增韌WC-M3A1復(fù)合材料，其特征在于:通過權(quán)利要求1?8任一項所述的方法制備得到;所述復(fù)合材料中，所含原位自生納米氧化鋁的質(zhì)量百分含量為I?7%，鎳三鋁的質(zhì)量百分含量為2?15%，其余為碳化鎢以及不可避免的雜質(zhì)相。
【文檔編號】C22C29/02GK105907997SQ201610390754
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】李小強(qiáng), 張民愛, 屈盛官, 夏曉建, 梁良
【申請人】華南理工大學(xué)