[发明专利]一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及铁基复合材料及其制备方法，具体而言为涉及一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料及其制备方法。

背景技术

通过在铁基材料中添加高强度、高硬度的陶瓷增强颗粒，可以获得铁基复合材料，有效提高了铁基材料的强度，在耐热、耐磨等服役条件下得到了广泛的应用。铁基复合材料根据颗粒增强体的来源可以分为外加颗粒增强铁基复合材料和原位颗粒增强铁基复合材料。由于原位生成的增强颗粒往往是通过化学反应从金属基体中直接生成的热力学稳定相，因此增强颗粒与铁基体之间界面结合好、界面上没有脆性析出相，有利于提高材料的综合性能。另外，原位复合方法节省了单独合成、加工、加入和分散增强体的工序，简化了工艺，减少了设备，降低成本；利用液态原位反应合成工艺，可制造形状复杂的零件。

用于制备铁基复合材料的原位合成技术主要有：反应熔铸法、燃烧合成法、机械合金化法、碳热/铝热还原法等。反应熔铸法(Reaction Casting，RC) 是一种将增强颗粒的原位反应合成同传统的铸造成形过程结合起来的工艺。其基本原理是：在一定成分的液态合金中，利用合金液的高温，使合金液中的合金元素之间或合金元素与化合物之间发生充分的化学反应，生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强颗粒，然后通过铸造成形即获得了由原位颗粒增强的金属基复合材料。采用该工艺反应界面不受污染，界面结合较好；增强相在反应过程中获得，避免了单独生产增强相的工艺步骤，工艺简化；可由直接铸造获得近终形的产品，便于制造结构复杂的部件。但是，由于铁基材料成型温度往往较高，原位化学反应不太容易控制，复合材料制备过程中工艺操作比较困难，因此采用原位复合方法制备铁基复合材料还没有工业应用的相关报道。

在铁基复合材料中，最常用的陶瓷增强材料是Al₂O₃、SiC和TiC。其中，Al₂O₃陶瓷与Fe熔液的润湿性差，无界面反应；SiC陶瓷材料与Fe熔液在高温下产生剧烈的化学反应，生成脆性相铁硅化合物和片状石墨组织存在于界面之间，恶化陶瓷?金属界面；TiC陶瓷与Fe熔液之间的润湿性较好，两者之间无界面反应。

采用反应熔铸法已经成功制备了TiCp/Fe复合材料，但是还存在不足之处。首先，要想熔体获得良好的流动性， Ti 和C的最大含量要分别低于8%~10%和3%~4%，因此该方法适用于制备TiC含量较低的铁基复合材料。其次，反应熔铸法反应温度高，需要达1550~1600℃，对于以高强度球墨铸铁为基体的材料不太合适。另外，制备的TiCp/Fe复合材料还存在TiC分布不均匀的问题。采用燃烧合成法直接制备的金属/陶瓷复合材料难以致密化，尽管有液相存在，孔隙率仍高达7%~13%；机械合金化制备出的复合材料TiC弥散析出，但稳定性还不够好，其制备工艺复杂，难以获得比较复杂的零件。

随着科技水平的提高，对结构材料的要求也越来越高，在不少结构件上都提出了高强高韧的要求，即要求材料具有很高强度的条件下具有很好的韧性。传统的材料，如钢铁材料、球墨铸铁等，虽然能在一定程度上满足要求，但是当强度和韧性指标都非常高时往往难以满足要求。研究表明，TiC 颗粒分布越弥散且尺寸越小，在拉伸过程中就不会出现应力集中，从而使它的强度提高且塑性也得到一定的提高。而当TiC 颗粒分布弥散度不高或甚至出现团聚，则会导致显微组织中局部区域内的严重微观应变，从而在拉伸过程中降低强度和塑性。因此，迫切需要提出一种新型材料，通过原位方法获得细小均匀的增强颗粒并使其在铁基材料上均匀分布，从而保证材料具有很高的强度，同时通过热处理获得强度和韧性有机结合的基体。

发明内容

本发明提出一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料及其制备方法，其原理是：采用机械合金化方法将铁粉、钛粉和碳粉充分混合形成复合粉，并在球墨铸铁二次孕育过程中加入到铁水中，通过铁水的加热作用使复合粉熔化分散到铁水中，在随后的降温冷却过程中析出弥散分布的亚微米原位碳化钛颗粒，再通过等温淬火热处理获得高强高韧基体，与原位碳化钛颗粒复合获得更高的强度，从而获得新型铁基复合材料。

一种原位碳化钛颗粒增强铁基复合材料，其特征在于：以高强韧球墨铸铁为基体，以原位生成的亚微米碳化钛颗粒为增强颗粒，且碳化钛颗粒在球墨铸铁基体上均匀分布，这样获得的高强高韧铁基复合材料。