一种外加复合颗粒增强材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种外加复合颗粒增强材料及其制备方法，属于金属陶瓷复合材料领域。该制备方法包括如下步骤：将铁合金粉末、碳化钛陶瓷粉末和碳化钨陶瓷粉末混合获得原始粉末；利用原始粉末进行激光增材制造，以获得外加复合颗粒增强材料。本发明专利技术提供的制备方法中铁合金熔体固溶大量的钨元素，随着熔池温度减低，钨与基体中的碳元素以及少量的铁和其它过渡族元素结合，以富钨碳化物颗粒的形式析出，并且因熔池凝固速度快，基体内析出的富钨陶瓷颗粒没有足够时间长大粗化，这些高密度纳米陶瓷颗粒能够有效地将大块金属基体分割成纳米尺度的小区域，不仅提高了基体的硬度，而且有利于金属和陶瓷的协同磨损，从而有效提高了复合材料的耐磨性。材料的耐磨性。材料的耐磨性。

【技术实现步骤摘要】
一种外加复合颗粒增强材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属陶瓷复合材料领域，更具体地，涉及一种外加复合颗粒增强材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]硬质陶瓷颗粒增强的金属陶瓷复合材料具有较高的硬度和优异的耐磨性，应用前景较为广泛。然而，由于金属和陶瓷的巨大硬度差异，相对于复合材料中的陶瓷，金属相的磨损十分严重。在这种情况下，陶瓷颗粒在被磨损掉的金属区域失去支撑，容易形成剥落，从而削弱了复合材料的耐磨性。同时剥落的硬质陶瓷颗粒混入磨损介质中，加剧了复合材料的磨损。因此，增强耐磨复合材料的金属相硬度和耐磨性对提高复合材料整体耐磨性能有着至关重要的意义。
[0003]目前，形成纳米颗粒是增强耐磨复合材料中金属相的理想方法。一方面金属基体中的耐磨陶瓷颗粒可以提高金属相的硬度，另一方面金属相经高密度纳米陶瓷颗粒分割，大块金属区域被分割成一系列纳米尺度的区域，有利于金属和陶瓷的协同磨损。例如，通过纳米颗粒Co2W4C增强的Co基WC复合材料的耐磨性能能够提高3倍左右。
[0004]但是现有的纳米颗粒增强耐磨复合材料金属相多为钴基金属，被纳米颗粒成功增强的铁基金属复合材料鲜有报道。此外，现有的纳米陶瓷颗粒增强耐磨复合材料的成型需要经历复杂的热处理工艺，该热处理工艺的耗时往往长达数个小时，普遍存在工艺周期长、能耗大、成本高等问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种外加复合颗粒增强材料的制备方法，旨在解决利用纳米陶瓷颗粒增强耐磨复合材料的成形工艺较为复杂的问题。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提供了一种外加复合颗粒增强材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
[0007]S1将铁合金粉末、碳化钛陶瓷粉末和碳化钨陶瓷粉末混合获得原始粉末；
[0008]S2利用所述原始粉末进行激光增材制造，以获得所述外加复合颗粒增强材料，其中，激光增材制造中激光功率密度为180W/mm2～260W/mm2，光斑扫描速度为0.1m/min～0.5m/min。
[0009]作为进一步优选的，步骤S1中，所述原始粉末中铁合金粉末的体积分数为20％～70％。
[0010]作为进一步优选的，步骤S1中，所述原始粉末中碳化钨陶瓷粉末与碳化钛陶瓷粉末的体积比为1:9～2:3。
[0011]作为进一步优选的，步骤S1中，所述铁合金粉末的粒径为45μm～105μm，所述碳化钛陶瓷粉末的粒径为50μm～100μm，所述碳化钨陶瓷粉末的粒径为10μm～100μm。
[0012]作为进一步优选的，步骤S1中，将所述原始粉末在150℃～180℃下干燥1h～3h。
[0013]作为进一步优选的，步骤S2中，进行激光增材制造的过程中保证搭接率为20％～35％。
[0014]按照本专利技术的另一方面，提供了利用上述方法制备的外加复合颗粒增强材料。
[0015]作为进一步优选的，所述外加复合颗粒增强材料中，原位析出的纳米陶瓷颗粒为富钨碳化物，所述纳米陶瓷颗粒的粒径为20nm～200nm。
[0016]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0017]1.本专利技术提出利用碳化钨陶瓷粉末加强铁基金属陶瓷复合材料，并在激光增材制造技术的快速凝固条件下原位析出高密度纳米陶瓷颗粒，能够极大节约加工时间和加工成本，制备过程中通过对增材制造参数进行优化，使得激光熔化原始粉末后熔池开始凝固，铁合金熔体固溶大量的钨元素，随着熔池温度减低，钨元素的溶解度降低，钨与基体中的碳元素以及少量的铁和其它过渡族元素结合，以富钨碳化物颗粒的形式析出，并且因熔池凝固速度快，基体内析出的富钨陶瓷颗粒没有足够时间长大粗化，这些高密度纳米陶瓷颗粒能够有效地将大块金属基体分割成纳米尺度的小区域，不仅提高了基体的硬度，而且有利于金属和陶瓷的协同磨损，从而有效提高了复合材料的耐磨性，为金属陶瓷复合材料的快速成型制造提供了一种重要的途径；
[0018]2.尤其是，本专利技术通过对混合粉末中铁合金粉末的体积分数以及碳化钨陶瓷粉末与碳化钨陶瓷粉末的体积比进行优化，能够在满足纳米析出相颗粒成分需求的同时，极大地避免过量脆性相的产生，从而增加材料的开裂风险；
[0019]3.同时，本专利技术还对激光增材制造过程中的搭接率进行优化，能够在保证纳米相析出的热力学条件的同时，有效地抑制析出相的粗化。
附图说明
[0020]图1是本专利技术优选实施例提供的外加复合颗粒增强材料的制备工艺流程图；
[0021]图2是本专利技术实施例1制备的外加复合颗粒增强材料的微观组织图；
[0022]图3是本专利技术实施例1制备的外加复合颗粒增强材料的原位析出纳米颗粒形貌图以及主要元素分布图。
具体实施方式
[0023]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0024]如图1所示，本专利技术提供了一种外加复合颗粒增强材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
[0025]S1将铁合金粉末、碳化钛陶瓷粉末和碳化钨陶瓷粉末混合获得原始粉末，并采用烘干箱将原始粉末在150℃～180℃下干燥1h～3h，其中铁合金粉末采用Fe
‑
C
‑
Si
‑
V
‑
Mo系铁合金；
[0026]S2采用同轴送粉方式利用原始粉末进行激光增材制造，以获得外加复合颗粒增强材料，从而在激光增材制造技术的快速凝固条件下，使得铁基金属相内高密度纳米颗粒原
位析出，提高外加复合颗粒增强材料的耐磨性。
[0027]本专利技术通过激光熔化原始金属粉末和部分陶瓷粉末，熔池在凝固过程中，铁合金熔体固溶大量钨元素，随着熔池温度的降低，钨元素的溶解度降低，钨与基体中的碳元素以及少量的铁和其他过渡族元素结合，以富钨碳化物颗粒的形式析出。由于熔池凝固速度快，基体内析出的富钨陶瓷颗粒没有足够的时间长大粗化，使得富钨陶瓷颗粒的尺寸保持在20nm～200nm的范围内，而这些高密度纳米颗粒即富钨陶瓷颗粒可以有效地将大块金属基体分割成纳米尺度的小区域，不仅提高了基体的硬度，而且有利于金属和陶瓷的协同磨损，从而提高外加复合颗粒增强材料的耐磨性能。
[0028]进一步，步骤S1中，原始粉末中铁合金粉末的体积分数为20％～70％，并且原始粉末中碳化钨陶瓷粉末与碳化钛陶瓷粉末的体积比为1:9～2:3，从而能够促进过渡族元素在铁基体中的充分固溶。同时，铁合金粉末的粒径为45μm～105μm，碳化钛陶瓷粉末的粒径为50μm～100μm，碳化钨陶瓷粉末的粒径为10μm～100μm。其中粗颗粒碳化钛粉末在熔池内有限溶解并析出，形成梯度增强，而细颗粒碳化钨粉末则有利于碳化钨完全分解，从而避免碳化钨颗粒的反应层开裂。
[0029]进一步，步骤S2中，激光增材制造中激光功率密度为18本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种外加复合颗粒增强材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1将铁合金粉末、碳化钛陶瓷粉末和碳化钨陶瓷粉末混合获得原始粉末；S2利用所述原始粉末进行激光增材制造，以获得所述外加复合颗粒增强材料，其中，激光增材制造中激光功率密度为180W/mm2～260W/mm2，光斑扫描速度为0.1m/min～0.5m/min。2.如权利要求1所述的外加复合颗粒增强材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述原始粉末中铁合金粉末的体积分数为20％～70％。3.如权利要求2所述的外加复合颗粒增强材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述原始粉末中碳化钨陶瓷粉末与碳化钛陶瓷粉末的体积比为1:9～2:3。4.如权利要求1所述的外加复合颗粒增强材料的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈浩，刘德健，
申请(专利权)人：恒普宁波激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：