[发明专利]一种表层复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种表层复合材料及其方法，属于新型材料的开发设计技术领域。本发明所述方法将陶瓷颗粒与添加剂制成具有成分梯度变化的圆柱状陶瓷预制体，通过EPS（聚苯乙烯泡沫）发泡将预制体嵌入模型当中，采用消失模铸造方法，制成表层复合材料。本发明通过对陶瓷颗粒增强体的结构设计，提高金属液在复合层中的填充效果，使陶瓷颗粒与基体具有结合良好的界面，利用过渡型界面的梯度效应，降低裂纹萌生扩张的倾向，产生具有良好致密性的复合层，达到增强复合材料性能的目的。

技术领域

本发明公开了一种表层复合材料及其制备方法，属于新型材料的开发设计技术领域。

背景技术

在矿山、水泥、建材等工业领域存在大量的磨损工况，磨损失效是零部件的主要失效方式，耐磨材料的消耗是十分巨大的。以矿山行业为例，耐磨材料的消耗是仅次于电力消耗的第二大消耗成本构成部分。因此，在磨损工况下，如何提升耐磨材料的服役性能是实现节材降耗的重要研究课题。

材料的磨损是从材料的表面开始的，耐磨材料表面的抗磨性决定了其在磨损工况下的服役寿命，因此如何提升材料表面的抗磨性是耐磨材料开发和研究的重点。陶瓷颗粒增强表层复合材料结合了金属基体良好的塑韧性和支撑作用，以及高硬度陶瓷颗粒超高的耐磨性，是耐磨材料的重点研发方向。作为有着较高经济性的Al₂O₃陶瓷颗粒或者主要成分为Al₂O₃的陶瓷颗粒，有着极佳的服役性能和应用前景。但如何克服陶瓷颗粒与基体结合的弱界面效应，并消减复合层金属液填充不足造成的缺陷，以及陶瓷颗粒自身高脆性导致容易发生裂纹的萌生和扩展，是陶瓷颗粒增强表层复合材料设计和研发的重要命题。

专利CN 106584959A公开了一种高耐磨的铁铝层状复合材料及其制备方法，通过预制圆锥状增强体，逐渐减小增强体由表及里的体积分数，从而提高陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗，再通过按层叠放，轧制，最终成型。该方法的预制体设计成分单一，预制体与基体之间的结合依然是无过渡的结合，并未改善陶瓷颗粒与金属液的浸润性问题。专利CN106367661A公开了一种颗粒增强铁基表面复合材料的制备方法，采用放点等离子烧结，预热浇铸以及热处理，制得陶瓷颗粒增强铁基复合材料。该方法对预处理的设备要求较高，制作工艺复杂，并且没有解决预制体与基体之间的过渡层性能优化的问题。专利CN106191496A公开了一种粉末冶金制备ZTA颗粒增强金属基耐磨复合材料的方法，利用活性金属元素粉末包覆ZTA颗粒表面，与金属基体混合后进行冷压成型，通过粉末冶金制得该材料。该方法通过添加活性金属元素粉末来改善界面问题，实际操作过于复杂，并且只能用于通过粉体成型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表层复合材料，该表层复合材料采用铸钢或铸铁作为基材，金属基材表面具有圆柱状陶瓷颗粒增强体，陶瓷颗粒增强体按照蜂窝结构进行排列；陶瓷颗粒增强体中陶瓷颗粒体积分数沿半径从圆心至圆柱面方向呈递减趋势。

本发明的另一目的在于提供一种表层复合材料的制备方法，该表层复合材料材料具有陶瓷颗粒与基体结合良好的界面，能够通过梯度结构的过渡界面抑制陶瓷颗粒裂纹的萌生扩展，其复合层有着良好的致密性；具体包括以下步骤：

（1）圆柱状陶瓷预制体的成型：将陶瓷颗粒、活化剂、粘结剂混合均匀得到混合粉末，再加入造孔剂；将几种陶瓷颗粒体积分数不同的混合粉末填装到分层模具中，陶瓷颗粒的体积分数沿圆心至圆柱面方向呈递减趋势；去除模具，将分层填装的松装预制体压制为陶瓷颗粒体积分数沿半径方向呈梯度变化的预制体。

（2）制备复合材料：将步骤（1）制备得到的预制体放入到EPS发泡模具底部，预制体按照蜂窝结构进行排列，然后进行EPS发泡，发泡后预制体被嵌入到EPS模型表面；采用消失模铸造方法浇注基体金属液，预制体在金属液作用下变为增强体，实现复合材料的成形得到表层复合材料。

优选的，本发明所述分层模具结构为多个圆柱形模具嵌套在一起组成的环状结构（如图6所示）。