一种Cr＜sub＞2＜／sub＞AlC增强Fe基复合材料及其无压烧结制备方法

　　一种Cr₂AlC增强Fe基复合材料及其无压烧结制备方法

　　【专利摘要】本发明公开了一种Cr2AlC增强Fe基复合材料及其无压制备方法。该材料中，Cr2AlC的体积百分比含量为5％～40vol.％，其余为Fe；该材料的制备方法：按比例称取适量的Cr2AlC粉和Fe粉均匀混合，将混合后的原料粉放入钢制模具中进行冷压成型，冷压成型压强为50～200MPa，然后将冷压成型后的坯体通过冷等静压机进行冷等静压成型，冷等静压压强为100～300MPa，将冷等静压后的坯体放入石墨模具中，然后将石墨模具放入烧结炉中进行无压烧结，烧结工艺为在真空、氩气或氮气保护下，以10～40℃/min的升温速率，将炉温升到1100～1500℃，保温15～120mins，冷却后，即得到本发明的Cr2AlC增强Fe基复合材料。该材料具有高硬度、耐磨耗、抗氧化，能在高温下裂纹自愈合等显著特点，可广泛用于高铁制动盘、燃气轮机高温叶片、核反应堆结构材料等机械、交通、能源与军工等领域。

　　【专利说明】

　　一种Cr2A IC増强Fe基复合材料及其无压烧结制备方法

　　技术领域

　　[0001 ]本发明涉及一种Cr2AlC增强Fe基复合材料及其无压制备方法。

　　【背景技术】

　　[0002]采用陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料具有比强度高、比刚度高、耐摩擦磨损性好、抗氧化、耐腐蚀及高温蠕变、可设计性好等特点，可以作为航空航天发动机高温自愈合材料，交通运输领域的制动盘、道岔等制动、啮合材料，核能领域的抗辐照和耐高温结构材料，冶金领域的辊环、导向轮、模具材料，以及机械加工领域的高速钢材料等。

　　[0003]铬铝碳(Cr2AlC)是一种新型的三元纳米层状碳化物陶瓷，具有Ti6C八面体与Al层叠的纳米层状晶体结构，理论密度为5.23g/cm3，维氏硬度为3.5GPa，剪切模量为116GPa，弹性模量为278GPa，室温抗弯强度为378MPa，室温电导率为1.4 X 106S/m，可机械加工，抗高温氧化性能好(参考文献:Shibo Li等，Ceramics Internat1nal, 2013,39(3): 2715-2721.)。因此，将其作为Fe基复合材料增强相，可以具有很好的强度、硬度、抗高温和耐磨性。但是，目前为止还没有利用该新型陶瓷作为Fe基复合材料增强相的报道。

　　【发明内容】

　　[0004]本发明的目的在于提供一种以铬铝碳(Cr2AlC)和纯铁(Fe)为原料制成的Cr2AlC增强Fe基复合材料及其无压制备方法。

　　[0005]本发明的技术方案:

　　[0006]本发明的Cr2AlC增强Fe基复合材料，其成分如下:

　　[0007]Cr2AlC的体积含量为5?40vol%，其余为Fe。

　　[0008]本发明的Cr2AlC增强Fe基复合材料，其显微结构如下:

　　[0009]陶瓷相Cr2AlC与金属相Fe基合金在三维空间各自呈连续分布，形成空间网络交叉结构，两者界面结合牢固。

　　[00?0]本发明的一种CnAlC增强Fe基复合材料无压制备方法，优选该方法包括如下各步骤:

　　[0011]步骤I，配料:将铬铝碳(Cr2AlC)粉和纯铁(Fe)粉按以下比例配料:

　　[0012]Cr2AlC = 3.4 ?30.7wt%，

　　[0013]Fe = 96.6?69.4wt% ;

　　[0014]步骤2，混料:称取相应质量的上述配料在无水乙醇介质中球磨2?12小时，球料体积比为2:1?15:1，转速为200?500r/min，将混合均匀的原料粉过筛后封存备用；

　　[0015]步骤3，坯体成型:将一定质量的混合原料粉料，装入钢制模具中，并施加50?200MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将冷压成型后的坯体置入冷等静压机中在100?300MPa下进行冷等静压成型；

　　[0016]步骤4，烧结:将成型后的坯体放入石墨模具中，并将石墨模具置入真空烧结炉中，在氩气保护下，以10?40°C/min的升温速率，将炉温升到1100?1500°C，保温15?120mins;然后，随炉自然降温，冷却后，即得到本发明的Cr2AlC增强Fe基复合材料。

　　[0017]本发明的有益效果如下:

　　[0018]本发明的Cr2AlC增强Fe基复合材料，其增强相与金属基体结合紧密，组织均匀，力学性能高，耐磨性好，重量轻，耐高温，耐辐照，抗氧化，在高温下裂纹能通过氧化生成氧化铝、氧化铬而自愈合，且无压制备工艺简单，易于操作，成本低，适于批量生产，易于推广。

　　[0019]采用本发明方法所制备的Cr2AlC增强Fe基复合材料可广泛用于高铁制动盘、燃气轮机高温叶片、核反应堆结构材料等机械、交通、能源与军工等领域。

　　【附图说明】

　　[0020 ]图1是本发明的Cr 2AIC增强Fe基复合材料的表面微观形貌扫描电镜(SEM)照片。深色部分为Cr2AlC增强颗粒，浅色部分为Fe基体。

　　[0021 ]图2是本发明的Cr2AlC增强Fe基复合材料的断口微观形貌扫描电镜(SEM)照片。

　　【具体实施方式】

　　[0022]本发明中所用Cr2AlC粉为纯度大于90%的高纯Cr2AlC粉，

　　[0023]实施方式一

　　[0024]将Cr2AlC与Fe粉按照5:95的体积比配料，称取纯度为98%的高纯Cr2AlC粉1.7克、纯度为分析纯的Fe粉48.3克，放入行星球磨机中，按照玛瑙球与粉料球料比为10:1、无水乙醇与粉料的液料比为0.7:1、转速为200r/min的条件下，球磨混合2小时，然后烘干、冷却后先后过20目和120目的筛子过筛，将混合粉料置入钢制模具中，在150MPa压强下冷压成型，再将冷压成型后的坯体放入石墨模具中，并放入烧结炉中，在氩气保护下进行无压烧结，按10°C/min的升温速率，将炉温升至1100°C，保温15min;然后将炉温冷却至80°C或以下时，样品出炉，即制得本发明的Cr2AlC增强Fe基复合材料。

　　[0025]所制备Cr2AlC增强Fe基复合材料的布氏硬度为62.3HB，抗弯强度为186.8MPa。

　　[0026]实施方式二

　　[0027]将Cr2AlC与Fe粉按照10:90的体积比配料，称取纯度为98%的高纯Cr2AlC粉3.4克、纯度为分析纯的Fe粉46.6克，放入行星球磨机中，按照玛瑙球与粉料球料比为15:1、无水乙醇与粉料的液料比为0.7:1、转速为250r/min的条件下，球磨混合5小时，然后烘干、冷却后先后过20目和120目的筛子过筛，将混合粉料置入钢制模具中，在200MPa压强下冷压成型，再将成型后的坯体用塑料包套住，再施加10MPa压强进行冷等静压成型，将冷等静压成型后的坯体置入石墨模具中，然后放入烧结炉中，在氩气保护下进行无压烧结，按15°C/min的升温速率，将炉温升至1200°C，保温30min;然后将炉温冷却至80°C或以下时，样品出炉，SP制得本发明的Cr2AlC增强Fe基复合材料。

　　[0028]所制备Cr2AlC增强Fe基复合材料的布氏硬度为74HB，抗弯强度为202.4MPa。

　　[0029]实施方式三

　　[0030]将Cr2AlC与Fe粉按照15:75的体积比配料，称取纯度为98%的高纯Cr2AlC粉5.2克、纯度为分析纯的Fe粉44.8克，放入行星球磨机中，按照玛瑙球与粉料球料比为15:1、无水乙醇与粉料的液料比为0.7:1、转速为300r/min的条件下，球磨混合10小时，然后烘干、冷却后先后过20目和120目的筛子过筛，将混合粉料置入钢制模具中，在200MPa压强下冷压成型，再将成型后的坯体用塑料包套住，再施加200MPa压强进行冷等静压成型，将冷等静压成型后的坯体置入石墨模具中，然后放入烧结炉中，在氩气保护下进行无压烧结，按20°C/min的升温速率，将炉温升至1300°C，保温60min;然后将炉温冷却至80°C或以下时，样品出炉，SP制得本发明的Cr2AlC增强Fe基复合材料。

　　[0031 ] 所制备Cr2AlC增强Fe基复合材料的布氏硬度为118HB，抗弯强度为224MPa。

　　[0032]实施方式四

　　[0033]将Cr2AlC与Fe粉按照20: 80的体积比配料，称取纯度为98%的高纯Cr2AlC粉7.1克、纯度为分析纯的Fe粉42.9克，放入行星球磨机中，按照玛瑙球与粉料球料比为15:1、无水乙醇与粉料的液料比为0.7:1、转速为400r/min的条件下，球磨混合15小时，然后烘干、冷却后先后过20目和120目的筛子过筛，将混合粉料置入钢制模具中，在10MPa压强下冷压成型，再将成型后的坯体用塑料包套住，再施加250MPa压强进行冷等静压成型，将冷等静压成型后的坯体置入石墨模具中，然后放入烧结炉中，在氩气保护下进行无压烧结，按30°C/min的升温速率，将炉温升至1400°C，保温90min;然后将炉温冷却至80°C或以下时，样品出炉，SP制得本发明的Cr2AlC增强Fe基复合材料。

　　[0034]所制备Cr2AlC增强Fe基复合材料的布氏硬度为169HB，抗弯强度为258.9MPa。

　　[0035]实施方式五

　　[0036]将Cr2AlC与Fe粉按照30:70的体积比配料，称取纯度为98%的高纯Cr2AlC粉11.1克、纯度为分析纯的Fe粉38.9克，放入行星球磨机中，按照玛瑙球与粉料球料比为15:1、无水乙醇与粉料的液料比为0.7:1、转速为500r/min的条件下，球磨混合24小时，然后烘干、冷却后先后过20目和120目的筛子过筛，将混合粉料置入钢制模具中，在50MPa压强下冷压成型，再将成型后的坯体用塑料包套住，再施加300MPa压强进行冷等静压成型，将冷等静压成型后的坯体置入石墨模具中，然后放入烧结炉中，在氩气保护下进行无压烧结，按40°C/min的升温速率，将炉温升至1500°C，保温120min;然后将炉温冷却至80°C或以下时，样品出炉，即制得本发明的Cr2AlC增强Fe基复合材料。

　　[0037]所制备Cr2AlC增强Fe基复合材料的布氏硬度为66HB，抗弯强度为190.2MPa。

　　【主权项】

　　1.一种CT2A1C增强Fe基复合材料，其特征在于:其成分为: Cr2AlC在体积百分比含量为5%?40%，其余为Fe。2.一种Cr2AlC增强Fe基复合材料的无压烧结制备方法，其特征在于:该方法包括以下步骤: 步骤1:配料:将铬铝碳(Cr2AlC)粉和铁(Fe)粉按以下比例配料: Cr2AlC = 3.4?30.7wt%， Fe = 96.6?69.4wt % ; 步骤2:混料:将上述配料通过行星球磨机进行球磨混合、烘干、冷却、过筛，球磨混合条件为:球料比5:1?15:1，转速200?500r/min，球磨时间2?24小时，烘干温度为60?70°C，过筛目数为70?120目，得到均匀细化的混合粉末； 步骤3:坯体成型:将步骤2中的混合粉末放入钢制模具中进行冷压成型，冷压成型压强为50?200MPa，然后将冷压成型后的坯体通过冷等静压机进行冷等静压成型，冷等静压压强为 100?300MPa; 步骤4:烧结:将步骤3中的坯体放入石墨模具中进行无压烧结，烧结工艺为在真空、氩气或氮气保护下，以10?40 °C/min的升温速率，将炉温升到1100?1500 °C，保温15?120mins，冷却后，即得到本发明的Cr2AlC增强Fe基复合材料。

　　【文档编号】C22C33/02GK105908052SQ201610411041

　　【公开日】2016年8月31日

　　【申请日】2016年6月13日

　　【发明人】陈新华, 周素霞, 杨建伟, 张军, 李慧君

　　【申请人】北京建筑大学