一种金属基功能梯度复合材料的成型方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及功能梯度复合材料技术领域，更具体地说，涉及一种金属基功能梯度 复合材料的成型方法。
【背景技术】
[0002] 复合材料，是由两种或两种以上不同性质的复合材料，通过物理或化学的方法，在 宏观（微观）上组成具有新性能的复合材料。各种复合材料在性能上互相取长补短，产生 协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成复合材料而满足各种不同的要求。
[0003] 在众多的复合材料中，梯度功能复合材料是比较特殊的一类复合材料，不同于普 通的复合材料，它是选用两种（或多种）性能不同的复合材料，通过连续地改变这两种（或 多种）复合材料的组成和结构，使其界面消失导致复合材料的性能随着复合材料的组成和 结构的变化而缓慢变化。由于梯度功能复合材料的复合材料组分是在一定的空间方向上连 续变化的特点，因此，它能有效地克服传统复合材料的不足。梯度功能复合材料可以用作界 面层来连接不相容的两种复合材料，大大地提高粘结强度，也可以用作界面层减小残余应 力和热应力，同时消除连接复合材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性，而且 它代替传统的均匀复合材料，既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
[0004] 而随着全球经济的快速发展，在石油、化工、能源、电力、冶金、航空航天等工业中， 存在大量在高温、腐蚀等恶劣环境下使用的摩擦运动副零部件，不仅要求复合材料具有良 好的耐磨性，耐蚀性和抗氧化能力，还需要有优异的强韧性。而性质均一的单一复合材料， 往往难于满足上述具有多种应用要求的领域。
[0005] 因而，如何获得一种，能够具有良好的耐磨性、强韧性、耐腐蚀抗高温氧化的梯度 功能复合材料的研宄，一直是复合材料领域的重大课题之一。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种具有良好的耐磨性、强韧性、耐 腐蚀抗高温氧化的梯度功能复合材料的成型方法，尤其是涉及一种金属基功能梯度复合材 料的成型方法。
[0007] 为了解决以上技术问题，本发明提供一种金属基功能梯度复合材料的成型方法， 包括：
[0008] A)将添加剂与粉末原料混合后，得到混合料；
[0009] 所述粉末原料包括：钢、不锈钢、镍基高温合金、钛合金、钴基合金、鹤合金、碳化鹤 和碳化钛中的一种或多种；
[0010] B)将上述步骤得到的混合料放入复合模具组中，进行复合压力成型后，得到坯 料；
[0011] 所述复合模具组包括外层高膨胀系数模具，中间过渡层模具组和内层低膨胀系数 模具；
[0012] C)将上述坯料经过烧结后，得到金属基功能梯度复合材料。
[0013] 优选的，所述混合料中，所述粉末原料在混合料中的体积比为50 %~85 %，所述 添加剂在混合料中的体积比为15 %~50 %。
[0014] 优选的，所述步骤A)具体为：
[0015] 将添加剂与第一粉末原料混合后，得到表层混合料；将添加剂与第二粉末原料混 合后，得到中间层混合料；将添加剂与第三粉末原料混合后，得到内层混合料。
[0016] 优选的，所述表层混合料的费氏粒度为小于等于5 μπι，所述中间层混合料的费氏 粒度为2~10 μ m，所述内层混合料的费氏粒度为3~15 μ m。
[0017] 优选的，所述粉末原料为陶瓷，所述表层混合料的费氏粒度为小于等于25nm，所述 中间层混合料的费氏粒度为15~50nm，所述内层混合料的费氏粒度为40~115nm。
[0018] 优选的，所述粉末原料还包括软质相；所述软质相为高韧性金属相。
[0019] 优选的，所述高韧性金属相为钴、铁、钼、铜、铝和镍金属，及其合金的一种或多种。 [0020] 优选的，所述第一粉末原料中非软质相的质量含量占所述第一粉末原料的质量含 量的百分比为80%~100% ;所述第二粉末原料中非软质相的质量含量占所述第二粉末原 料的质量含量的百分比为70%~95%;所述第三粉末原料中非软质相的质量含量占所述第 三粉末原料的质量含量的百分比为60 %~90%。
[0021] 优选的，所述添加剂包括聚乙烯、石蜡、聚乙二醇、聚丙烯、聚苯乙烯、硬脂酸、二甲 基苯二酸、双丁基苯二酸和EVA中的一种或多种。
[0022] 优选的，所述复合压力成型为温压成型、注射成型和热等静压成型中的一种或多 种；所述烧结为真空压力烧结；
[0023] 所述坯料进行烧结前，还进行除脂处理；所述除脂处理为热除脂和/或溶剂脱脂 处理。
[0024] 本发明提供一种金属基功能梯度复合材料的成型方法，首先将添加剂与粉末原料 混合后，得到混合料；然后将上述步骤得到的混合料放入复合模具组中，进行复合压力成型 后，得到坯料；所述复合模具组包括外层高膨胀系数模具，中间过渡层模具组和内层低膨胀 系数模具；最后将上述坯料经过烧结后，得到金属基功能梯度复合材料。与现有技术相比， 本发明将金属基材料采用功能梯度复合材料的设计理念，在保证金属基优良的耐磨性、耐 腐蚀性及抗高温性能的同时，还获得优良的强韧性。而且本发明还采用粉末冶金的方式制 备金属基功能梯度复合材料，利用复合模具组成型和粉末冶金方法制备金属基梯度功能复 合材料，通过调整金属粉末颗粒度与成分、添加剂配比、复合模具形状、不同的压力成型方 式和工艺参数、烧结工艺，可以在较大厚度尺寸范围内方便地制备出形状复杂的、成分连续 变化且可控的具有高耐磨性和优异强韧性结合的金属基功能梯度复合材料。实验结果表 明，本发明制备的金属基功能梯度复合材料，其中WC-Co金属基功能梯度复合材料的横向 断裂强度为3460N/mm 2,矫顽磁力为9. 86kA/m，钴磁（Com% )为9. 82,而且表层至心部组织 致密、成分和硬质颗粒度均匀过渡，且无孔隙、气泡和裂纹等缺陷。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明实施例1制备的WC-Co金属基功能梯度复合材料的粉末冶金产品在 100倍显微镜下的金相图；
[0026] 图2为本发明实施例1制备的WC-Co金属基功能梯度复合材料的粉末冶金产品的 表层在1500倍显微镜下的金相图；
[0027] 图3为本发明实施例1制备的WC-Co金属基功能梯度复合材料的粉末冶金产品的 中间过渡层Gl在1500倍显微镜下的金相图；
[0028] 图4为本发明实施例1制备的WC-Co金属基功能梯度复合材料的粉末冶金产品的 中间过渡层G2在1500倍显微镜下的金相图；
[0029] 图5为本发明实施例1制备的WC-Co金属基功能梯度复合材料的粉末冶金产品的 中间过渡层G3在1500倍显微镜下的金相图；
[0030] 图6为本发明实施例1制备的WC-Co金属基功能梯度复合材料的粉末冶金产品的 中间过渡层G4在1500倍显微镜下的金相图；
[0031] 图7为本发明实施例1制备的WC-Co金属基功能梯度复合材料的粉末冶金产品芯 部在1500倍显微镜下的金相图；
[0032] 图8为本发明实施例1制备的WC-Co金属基功能梯度复合材料的结构示意图。
【具体实施方式】
[0033] 下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例 仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通 技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范 围。
[0034] 本发明提供一种金属基功能梯度复合材料的成型方法，包括：
[0035] A)将添加剂与粉末原料混合后，得到混合料；
[0036] 所述粉末原料包括：钢、不锈钢、镍基高温金属、钛金属、钴基金属、鹤金属、碳化鹤 和陶瓷中的一种或多种；
[0037] B)将上述步骤得到的混合料放入复合模具组中，进行复合压力成型后，得到坯 料；
[0038] 所述复合模具组包括外层高膨胀系数模具，中间过渡层模具组和内层低膨胀系数 模具；
[0039] C)将上述坯料经过烧结后，得到金属基功能梯度复合材料。
[0040] 本发明首先将添加剂与粉末原料混合后，得到混合料。所述添加剂优选为聚乙烯、 石蜡、聚乙二醇、聚丙烯、聚苯乙烯、硬脂酸、二甲基苯二酸、双丁基苯二酸和EVA中的一种 或多种，更优选为聚乙烯、石蜡、聚乙二醇、聚丙烯、聚苯乙烯、硬脂酸、二甲基苯二酸、双丁 基苯二酸或EVA，最优选为聚乙烯、石蜡、聚乙二醇和硬脂酸中的一种或多种。
[0041] 所述粉末原料优选包括：钢、不锈钢、镍基高温合金、钛合金、钴基合金、鹤合金、碳 化钨和碳化钛中的一种或多种，更优选包括钢、不锈钢、镍基高温合金、钛合金、钴基合金、 钨合金、碳化钨、碳化钛或陶瓷；本发明所述粉末原料，即主原料，是指形成金属基功能梯度 复合材料的主要原材料，其并非仅仅包括金属，也可以包括非金属，如陶瓷等；正如本领域 技术人员熟知的，金属基陶瓷材料，也是金属基复合材料的一种。所述粉末原料优选还可 以包括，能够增加所述硬质合金性能的元素，优选为碳、硼、钼、铬、钒、钽及其碳化物中的一 种或多种，更优选为碳化钽或碳化钛；本发明对所述粉末原料没有其他特别限制，以本领 域技术人员熟知的用于制备金属基复合材料的原料即可，本发明所述粉末原料优选包括硬 质相和软质相，所述硬质相优选为钢、不锈钢、镍基高温合金、钛合金、钴基合金、钨合金、碳 化鹤、碳化钛或陶瓷，更优选为钢、镍基高温金属合金、钛合金、鹤合金、碳化鹤、碳化钛或陶 瓷，最优选为钛合金、钨合金、碳化钨