微纳米合金双金属复合材料制备工艺及设备的制作方法

专利名称：微纳米合金双金属复合材料制备工艺及设备的制作方法
技术领域：
本发明属于金属复合材料技术领域，涉及一种微纳米合金双金属复合材料及其制 备方法，特别是一种微纳米合金双金属复合材料制备工艺及设备。
背景技术：
双金属复合材料是将两种或两种以上的具有不同性能的金属材料通过一定的工 艺进行复合，使材料或零件的不同部位具有不同的性能，以满足使用的要求。它与分散强 化型材料不同，层状复合材料不是一种材料分散于另一种材料之中，而是各组元材料自成 一个或数个整体，组元之间以界面结合的方式复合成一体，其复合方式主要有液_固复合、 液-液复合、固-固复合等。它通常是一种合金具有高的力学性能，而另一种或几种合金则 具有抗磨、耐腐蚀、耐热等特殊使用性能。双金属复合材料可以发挥组元材料各自的优势， 实现各组元材料资源的最优配置，节约稀有或较贵的金属材料，实现单一金属不能满足的 性能要求，其应用领域广泛，具有很高的经济效益和社会效益。为此，目前国内外开发了爆 炸焊接复合、轧制复合、铸造复合、双液双金属复合、离心铸造复合、电渣复合、堆焊复合、喷 射沉积复合、粘接复合、镶铸复合、连续浇注复合法(CPC)、液态金属电渣复合工艺(ESSLM) 等复合铸造工艺，从而为双金属复合材料的制造开辟了新的技术途径，对双金属复合材料 的发展起到了一定的促进作用。但是，由于受设备和技术条件的限制，上述各种工艺，目前还无法满足生产要求。 因此，尽管目前国内外对上述工艺研究较多，但真正能在实际生产中应用的较少。为实现双金属复合材料的制造，国内外均开展了大量的研究开发工作，不断的研 发出新的制备工艺，在制造双金属复合材料工艺上，中国发明专利CN1390663公开了一种 铸造双金属轧辊的设备与方法，所述设备包括模具，所述模具为中空的圆柱体，由上、下两 部分组成。在模具的下侧设有浇铸管道，浇铸口连接到浇铸管道的外口上。在模具的上面设 置惰性气体输入孔，在惰性气体输入孔的外口上连接惰性气体输入管道。在模具的内侧有 一个辊身型腔。在模具的外侧面绕有感应线圈。所述设备有一个感应电源，该电源的两个输 出端连接感应线圈的两端。由于整个生产工序是在通着惰性保护气体时，在高温下进行的， 这使型材辊轴和辊身结合地非常牢固，从而使双金属轧辊的质量大为提高；中国发明专利 CN1455139公开了一种双金属包覆管，其特征是在普通黑铁管外面包覆上一层耐腐蚀有色 金属薄层的双金属包覆管及机械拉制生产方法；用该发明的管子制作户外广告牌、灯杆、旗 杆、防撬门窗等，光亮美观、耐腐蚀、抗弯强度高和防撬性能、可焊性好，且可节约制作成本; 机械加工方法不像电镀那样会污染环境，是一种环保型工艺；中国发明专利CN1447011公 开了一种双金属气门推杆，其特征在于该推杆由二种具有不同膨胀系数的金属材料的杆 身部分连接组成；其中一种材料的膨胀系数大于发动机整体的膨胀系数，另一种材料的膨 胀系数则小于发动机整体的膨胀系数，调整上述两种不同金属材料的杆身部分长度比例， 使整个推杆的膨胀系数相同/相近于发动机的膨胀系数。该发明解决了推杆与发动机机体 具有相同或相近的膨胀系数的技术问题；中国发明专利CN1071107公开了一种铸铁-铜双金属复合材料烧结工艺，实现该工艺的过程是在清洁的铸铁或高碳钢金属基体表面，撒布 一层稀薄铜粉，稀薄铜粉要均勻，不搭接、不连结，要隐约可见金属面亮度，撒好后置入烧结 炉中进行第一次扩散烧结使铜铁相互扩散牢固粘接；然后再撒布一层厚铜粉置入烧结炉中 进行第二次烧结，经二次烧结后将复合材料进行密实性处理挤压、冷轧、或冷锻，然后再回 炉进行补充烧结使铜层更加牢固结实；中国发明专利Cmi90703公开了一种双金属混凝土 泵耐磨板及制造方法，首先用发泡塑料制成耐磨板形状模具，放入砂箱中，将碳化钨合金粉 末涂在模具相应与耐磨环部位上，在负压状态下，将45号钢水浇铸在模具中，制成碳化钨 双金属耐磨板，该制造方法简单，成本低廉，省时省料，成型后的耐磨板不需打磨加工即可 使用，提高了产品的合格率，使用寿命是堆焊工艺法的3 5倍；中国发明专利CN1751826 公开了一种离心浇注具有熔合层双金属钢管或坯的制造方法，本发明涉及一种离心浇注具 有熔合层双金属钢管或坯的制造方法，根据不同的钢种和钢管规格选择合适钢液温度、涂 层种类和厚度、离心机管模的转速、浇注速度等工艺参数，其特征在于外层钢液通过等量倾 翻装置浇入离心铸管机的管模中，利用离心力使浇入的钢液均勻分布在管模的内表面上； 在外层钢液温度降低成型后，将内层钢液注入旋转的管模中，待内层钢液冷却后脱模，形成 具有熔合层的双金属钢管或坯。它成本低，可以实现批量生产，双层金属相互熔合，化学性 能高；中国发明专利CN1410192公开了一种双金属电渣熔铸抗磨斗齿成组制造方法，该方 法其斗齿由不同材料的齿柄和齿尖组成，制造工艺是以齿柄的侧面为叠砌面，多层对开式 水冷结晶器也依齿柄工作面前端而向上叠加，用高铬铸铁做自耗电极，一次电渣熔铸就熔 铸出多个齿尖，同时，把对应数量的低碳合金钢或锰钢齿柄熔成一体，形成一组斗齿群，然 后，用导电切割设备切割成一个个斗齿，采用该发明制造出的斗齿质优，电渣熔铸的齿尖金 属纯度高，组织致密、无松疏、夹渣、分层等缺限，且抗磨性优于同质的铸件或锻件，齿柄抗 冲击、弯曲疲劳强度高，便于操作，材料利用率高，能耗低，该工艺的不足之处为制造工艺复 杂，生产效率低，成本高。上述各种工艺均通过铸造的方法使两种材料复合成一体。具有工艺复杂，技术难 度大，生产成本高，设备投资大，界面结合控制难度大，产品性能差，适用范围窄。由于摩擦磨损主要发生在材料的表面，为解决材料表面的腐蚀、磨损、氧化、疲劳 等问题，近年来，材料工作者研发了表面工程技术。采用先进的表面技术，在普通的材料表 面优化设计出所需的耐磨涂层是一种简便有效的方法。在工件上通过表面涂覆、表面改性 或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结 构和应力状态，以获得所需要的表面性能，是现代材料工程中的一个重要领域和重要分支。 目前成功制备的涂层有耐磨涂层、耐腐蚀涂层、耐氧化涂层、抗疲劳涂层、热障涂层、密封 涂层、绝缘涂层、导电涂层和装饰涂层等。采用的粉末合金大多为Co，Ni和Fe粉末，添加的 硬质相有氧化物(A1203，Ti02, Si02)，碳化物(SiC，Cr3C2，WC, TiC，B4C)，固体润滑剂(PTFE， 石墨，MoS2)等；制备的工艺也多种多样，如电镀、火焰喷涂、等离子喷涂(plasmaSpray)、物 理气相沉淀(PVC)、化学气相沉淀(CVD))、高速氧燃烧法(HoVF)、堆焊、真空熔覆、高频感应 熔涂、激光熔覆等工艺；其应用领域也极为广泛，几乎包括了所有的高新技术领域和工业、 民用领域，如航天、航空、航海、计算机、电子、信息、交通、石油、化工、建筑、水利、机械等。 它不仅可显著提高产品的可靠性和使用寿命，减少产品的维护和更换，而且节约材料和合 金资源、能源，有利于环境的保护。因此，材料的表面改性和涂覆、熔覆技术是近年来世界各国发展较快的一种新工艺。它能使普通材料表面的耐磨性成倍提高。从而拓宽了材料的应 用领域。有统计表明，与表面技术直接相关的产业已占国民经济总产值的7%。然而，虽然目前国内外开发出了众多的金属表面复合材料的制备方法，但每种方 法都有其难以克服的缺点。例如，喷涂技术中的涂层与基体仍是机械结合，喷涂层脱落，不 适合重载作条件；高能束热源熔敷中，熔敷层的气孔和开问题一直是碳化物陶瓷堆焊的难 题；堆焊表面开裂、喷焊表面硬度较低、喷焊层厚度不均、喷涂粉末利用率低、涂层结合强度 低、涂层致密度低；真空熔覆存在合金元素蒸发较多和脱碳现象及设备复杂；高频感应熔 涂存在工件氧化严重，表面粗糙，合金元素被烧损及覆层和基体之间的结合力弱；激光熔覆 存在设备投资大，生产效率低，工艺难度大的缺点等，都直接影响到产品的生产效率和使用 寿命，制约了其推广和应用；而高能熔化-注射技术目前还处于实验探索阶段，尚未到广泛 应用水平。同时，上述各种表面涂覆、熔覆工艺所存在的一个共同的缺陷为单次熔涂厚度仅 为0. 1 2mm厚，当熔涂厚度大时，发生熔融合金流淌，无法制备大厚度的表面熔涂层，从而 限制了应用领域。在熔覆材料上，目前国内外主要采用镍基自熔合金、铁基自熔合金、钴基自熔合 金，以及上述合金与碳化物、氮化物、硼化物和硅化物颗粒组成的金属陶瓷复合粉末，这类 金属粉末成型后普遍存在合金层之间结合强度低，耐磨性能差，残余应力大，材料的脆性 大，易出现气孔和裂纹，无法熔覆大厚度的熔覆层材料等问题，从而严重的影响了表面熔涂 技术的应用，使其仅限于在表面磨损量小的小型零件应用，无法应用于表面磨损量大的大 厚度复合层零部件和材料，从而限制了应用领域。纳米材料是纳米科学中的一个重要的研究发展方向。近年来，随着纳米科学的兴 起，纳米材料已在许多科学领域引起了广泛的重视，成为材料科学研究的热点。所谓纳米材 料是由纳米量级的纳米粒子组成的固体材料，纳米粒子的大小一般不超过lOOnm，当粒子尺 径进入纳米量级1 IOOnm时，由于纳米粒子的表面原子与体积总原子数之比随粒径尺寸 的减小而急剧增大，使其显示出4个基本效应强烈的量子尺寸效应、表面与界面效应、体 积效应和宏观量子隧道效应。这些特性使纳米材料呈现出许多奇特的性质而具有某些优 异的性能，如高热膨胀系数、高比热容、低熔点、奇特的磁性、极强的吸波性能等。纳米微粒 尺寸很小，纳米粒子的表面原子数与其总原子数之比随粒径尺寸的减小而急剧增大，所以 纳米材料有高密度缺陷、高的过剩能、大的比表面积和界面过剩体积。纳米材料也因此具有 许多特殊的性能，如高的弹性模量、较强的韧性、高强度、超强的耐磨性、自润滑性和超塑性 等。由于纳米材料的特异性能，因而具有广泛而重要的应用前景。但是，由于国内外尚无法制备大尺寸的块状金属纳米材料，因此，推广应用受到了 限制。而且由于材料的损坏主要发生在其表面，将整体金属纳米材料应用于制造工件，也造 成材料的极大浪费。目前，国内外对纳米金属材料开展了比较深入的研究，研究表明，当金属或合金制 备成纳米微粒后，所呈现出的最大特点是其熔点较普通金属熔点低，如金的熔点是1063°C， 而纳米金只有330°C，熔点降低近700°C ；银的熔点由金属银的960. 8°C降为纳米银的 100°C。纳米金属熔点的降低不仅使低温烧结制备合金成为现实，还可使不互溶的金属冶炼 成合金，对粉末冶金工业具有一定的吸引力。如在钨颗粒中加入0.1% 0.5% (质量比)的纳米Ni粉，烧结温度可从3000°C降为1200 1300°C。纳米金属材料所具有的低熔点特 性从而为制备高性能、大厚度表面熔覆层材料提供了有利的条件。并开发出了相应的纳米 表面工程技术。 纳米表面工程技术是充分利用纳米材料所具有的上述各项优越性能，将传统的 表面工程技术与纳米材料、纳米技术交叉、综合、融合，制备出含纳米材料或纳米增强颗粒 的纳米结构的表层或复合覆层，是近几年国内外研究的热点。中国发明专利CN1807685公 开了一种金属表面的纳米涂层工艺，所述的纳米涂层工艺包括如下工艺步骤(1)清洁金 属需处理区表面；(2)在清洁后的表面涂覆纳米粉末材料；(3)待涂层干燥后，根据涂层面 积选择相应光斑的激光束进行熔覆处理；并同时对激光熔覆处理区域进行同步的惰性气 体保护；(4)激光熔覆处理后的金属自然冷却即可。该发明通过大功率高能量激光束的作 用，在金属表面直接制备可控纳米结构涂层，通过激光熔覆，复合纳米颗粒、扩散、快速冷 却、弥散分布在金属表面，实现机械装备关键部件性能的提升和易腐易磨报废零部件的修 复再生利用；中国发明专利CN1413774公开了一种粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法， 该方法首先对基体表面进行净化、活化、纳米化的处理，然后在大孔径喷枪的粉末热喷涂装 置上，采用团聚态纳米材料的热喷涂粉末，直接对基体表面进行热喷涂，最后获得高质量 的纳米晶组织的表面涂层，其涂层机械性能好，制备工艺简单、粉末沉积率和喷涂效率高， 生产成本低，可以实现氧乙炔火焰粉末喷枪直接热喷涂陶瓷涂层。该发明适用于抗高温 氧化、抗腐蚀、耐磨、热障、绝缘等金属涂层、金属陶瓷涂层、陶瓷涂层的制备；中国发明专 利CN1569974公开了一种多元氧化物纳米涂层及其制备方法和应用，涂层由底料和面料组 成，底料组分的重量百分比为石英35 40%、玻璃粉27 29%、钾长石10 12%、硼砂 14 15%、钛白粉5 6%、萤石1. 0 1. 5%, ReOl. 0 1. 5%、氧化钴1. 0 1. 5%、粘 土 5 5. 5%。面料组分的重量百分比为石英40 50%、玻璃粉23 26%、钾长石7 10%、硼砂12 15%、钛白粉4. 3 5. 3%、萤石1. 0 1. 3%、ReOl. 2 1. 5%、氧化镍 1. 3 1. 6%、粘土 5 5. 5%。该方法由高温熔化配料、湿式球磨制备粘稠性浆料、钢铁基 材的浆料涂覆、涂层表面液相烧结工艺组成。具有优良的抗腐蚀和抗磨损性能，用作磷化工 或酸碱化工设备的易腐蚀和易磨损构件，可使构件的连续工作寿命比现材料高2到10倍； 中国发明专利CN1598057公开了一种等离子喷涂制备纳米涂层的方法，该方法是借助输送 气体将涂层材料直接注入等离子火焰，并利用等离子火焰的高温将涂层材料加热融化，高 速撞击粘附于金属基底材料表面，经冷却即成，其特征在于涂层材料为配置的纳米级浆料， 该浆料中其涂层材料的粒径彡250nm，重量百分比含量为5 20% ；在注入等离子火焰时， 将纳米级浆料雾化。该发明提供的这种等离子喷涂制备纳米涂层的方法，不仅可大大提高 涂层与基底金属材料间的结合强度和抗裂纹扩展能力，满足制作长寿命植入体的要求，而 且还可赋予涂层为纳米材料所拥有的种种优异特性，同时方法简单，成熟，操作容易，效率 高；中国发明专利CN101126159公开了一种高性能NiCr基纳米涂层制备方法，其特征在于 采用超音速火焰喷涂制备纳米结构涂层，涂层制备采用两种粉体，一种是微米尺度的雾化 粉体，另一种是雾化粉经液氮球磨后生成的纳米晶粉体；两种粉体的重量百分比成分均为 Ni 52. 26% ；Cr 45. 88% ；C 1.86% ；喷涂用基体试样为20#钢，喷涂前用90微米的棕刚玉 粉对基体表面进行半分钟的喷砂毛化处理，喷涂涂层厚度控制在0. 3-0. 5毫米。纳米涂层 组织致密度、显微硬度以及在500-650°C温度下的硫化腐蚀抗力和抗氧化能力均优于相同
8成分和方法制备的微米涂层，该方法特别适用于对燃煤锅炉“四管”高温腐蚀及冲蚀磨损的 防护和修补；中国发明专利CN101429409公开了一种高Cr含量Ni基纳米涂层粉体及制备 方法，粉体材料成分重量百分比为=Ni 50-52% ；Cr 44-46% ；C 1~2%0其制备方法为首 先通过真空熔炼和雾化制粉技术制备原始粉体，然后采用液氮保护下的球磨技术对上述粉 体进行16-20小时的纳米化加工，制成晶粒尺度为纳米量级的粉体。该粉体材料具有良好 的流动性和热稳定性，该发明可改善防护涂层的质量和水平，提高涂层的综合使用性能，能 进一步提高燃煤锅炉“四管”抗高温腐蚀及冲蚀磨损能力。用该材料采用超音速火焰喷涂 制备纳米结构涂层；纳米涂层组织致密度、显微硬度以及在500-650°C温度下的硫化腐蚀 抗力和抗氧化能力均优于相同成分和方法制备的微米涂层。由上述各项已公开的专利和报导可知，目前国内外虽然已开发出了众多的表面纳 米涂覆技术，但由于所涂覆的材料层较薄，一般仅为0. 1 Imm厚，且表面涂覆的材料与基 体材料的结合强度差，材料在喷涂过程中浪费大，成本高，并且还存在着工艺复杂，工作环 境差等各种弊端，使应用这些工艺制备的涂层，在推广应用方面受到了一定程度的限制。因此，充分利用纳米金属所具有的低熔点性能，研究开发出耐磨性能高，材料残余 应力小，脆性小，不易出现气孔和裂纹，能够满足熔覆大厚度的熔覆层材料要求的纳米复合 材料，并研究开发相应的具有制备工艺简单，生产成本低的微纳米或纳米合金双金属复合 材料制备工艺，使其不仅能够在在廉价的碳钢及其他金属材料的表面制作一层薄层的微纳 米或纳米合金双金属复合材料，而且还可以制备具有大厚度的微纳米或纳米合金双金属复 合材料，并且涂覆层或熔覆层厚度可以根据需要进行自由调节，以满足不同使用工况要求， 对提高工件使用寿命，降低工件制造和使用成本，提高生产效率，节约贵重合金和能源消 耗，实现纳米金属复合材料在工业上的实质上的应用，拓宽表面工程的应用领域，使金属基 纳米复合材料以其优良的特性在新材料、冶金、自动化和航空航天等领域发挥更加巨大的 作用。

发明内容
本发明的目的在于充分利用纳米金属所具有的低熔点性能，通过在纳米金属合金 中添加一定的具有可以抑制熔覆涂层裂纹，降低熔覆层裂纹的敏感性，提高涂层的耐磨、耐 蚀、抗氧化及抗热震性能的添加剂，解决现有熔覆材料和纳米材料的不足，并提供一种新型 双金属复合材料制备工艺及设备，将该材料制造成纳米或微纳米双金属复合材料，实现纳 米金属合金与金属材料的有效复合，发挥纳米材料的优良特性，从而制备出具有性能更加 优异的能够同时满足制备薄层熔覆层和大厚度熔覆层的新型高性能纳米金属合金表面复 合材料，获得具有制备工艺简单，成本低，产品性能好的大厚度纳米合金双金属复合材料制 备工艺及设备。解决其技术问题的设备方案是该设备由颗粒下料器、变频感应加热器、底座、升 降抽锭设备、惰性气体输送管、成型模具、高能超声波振动器和真空罩组成，在成型模具的 上部安装有1 6台颗粒下料器，在成型模具的外部安装有变频感应加热器，在成型模具的 下部安装有底座和升降抽锭设备，在成型模具的下部或上部或侧面安装有高能超声波振动 器，惰性气体输送管安装在成型模具的上部，真空罩对成型模具设备进行密封，真空泵安装 在真空罩的底部、上部或任一侧面，通过管道与控制阀门和真空泵相连结，成型模具根据所用材料不同而分为耐火材料或石墨材料成型模具，金属水冷结晶器成型模具，在金属水冷 结晶器成型模具的下部设有进水管，在金属水冷结晶器成型模具的上部设有出水管，通过 热电偶和温度控制器对成型模具内的温度进行测试和控制；或由箱盖、工件、变频感应加热 器、铸造型砂、真空泵、真空泵阀门、管道、振动器和箱体组成，变频感应加热器安装在箱体 的内部，振动器安装在箱体的底部或侧部，振动器为机械振动或超声波振动，真空泵安装在 箱体的任一侧面，通过管道与真空泵阀门和真空泵相连结，通过热电偶和温度控制器对箱 体内的温度进行测试和控制；变频感应加热器的频率可以从500Hz 300kHz之间分段无极 调整。解决其技术问题的方案是将各种材质的热作模具钢、冷作模具钢、高速工具钢、 高铬铸铁、不锈钢、耐热钢、各种耐磨、耐腐蚀黑色金属材料、各种有色金属材料、各种自熔 合金的其中之一种制备成粉末，或采用金属和合金粉末按照上述各种金属合金材料的成 分进行配制，然后在其中按照质量百分比加入Ce02、Y3O2, La2O3其中之一或两种以上组合 的彡 0. 8 %，0· 3-1. 5 % MgO,0. 3-1. 8 % CaF2,0. 0-1. 5B %,0. 1-0. 8 % Nb，0. 1-1. 0 % Ti, 0. 1-2. 0 的 03(2、￥(、1&(、21~(、恥(、肚(、118、111恥1六11￥1。&、六1、8&、]\%』元素的其 中之一或二种以上的组合体的晶粒细化和再结晶抑制剂，将其组分原料配比后，放入高能 搅拌球磨机中进行搅拌球磨制备成微纳米或纳米合金粉体；或在上述成分的合金粉体中加入质量百分比含量为-40%的强碳氮硼化物形 成合金元素超细粉体与原位合成碳氮硼化物化学反应所需剂量的C粉，Al粉，CuO2或B2O3 或Fe2O3其中之一或二种以上的组合体，经混合后放入搅拌球磨机内共同进行搅拌球磨，使 其在搅拌球磨机内原位合成质量百分比含量为-40%的Ti、Nb、V、B、W、Si、&的其中之 一或二种以上的组合体的碳化物、氮化物、硼化物或碳氮化物颗粒增强的微纳米或纳米混 合粉体；或在所述上述成分的合金粉体中加入质量百分比含量为-40%的碳化物、氮 化物、硼化物、硅化物或碳氮化物其中之一或组合体的纳米颗粒，将其在搅拌球磨机中通过 搅拌球磨工艺制备成含有碳化物、氮化物、硼化物、硅化物或碳氮化物其中之一或二种以上 的组合体的外加纳米颗粒增强的微纳米或纳米混合粉体；将上述合金粉体的其中之一种加入的水玻璃、松香油或汽油橡胶溶液、 树脂、糊精其中之一或二种以上的组合体粘接剂，混合后制成颗粒或粉状，经晾干或在 50 90度的温度下烘干，加入到颗粒下料器中，将经过表面清洁加工处理后的工件放在成 型模具内，将成型模具固定在底座上，打开惰性气体阀门，通过惰性气体输送管向成型模内 通入惰性气体，使熔覆过程在保护气氛中进行；或启动真空泵对密封罩内进行抽真空，使成 型模具内的真空度达到1 3X 10-2mmHg，使熔覆过程在真空中进行，以减少和消除熔融合 金中的气体和气孔；启动颗粒下料器将所制备好的含有粘接剂的合金颗粒或合金粉从成型模的上部 按照所预定的流量，以5 500g/mni连续加入到成型模内，启动变频感应加热器对成型模 内的合金颗粒或合金粉和安装在成型模具内的工件进行感应加热，变频感应加热器的频率 根据熔覆工件质量和尺寸和熔覆层厚度的不同而在500Hz 300kHz之间进行选择和分 段无极调整，使其达到熔覆温度为950°C 1280°C，通过热电偶和温度控制器对成型模内 的温度进行测试和控制，使加入到成型模内的合金颗粒或合金粉熔化，并与成型模具内的工件熔合，形成双金属复合体，启动升降设备，将成型模以2 150mm/min的速度向下移 动，或将成型模具内熔覆好的并已经凝固在工件上的双金属复合材料从成型模具内以2 150mm/min的速度向下抽动，通过控制颗粒下料器的下料速度和升降设备的下降或抽锭速 度，使熔融区保持在5 50mm高度的范围内，使合金材料熔融和凝固在成型模内的工件的 所需部位上，使熔覆层与工件形成冶金结合，合金材料在成型模具内的凝固自下而上连续 的逐层进行，启动超声波振动器对熔融合金凝固组织进行振动细化处理，熔覆完毕后，停 止加热和输入惰性气体或抽真空，打开成型模具，即在工件的所需部位得到熔覆有0. 1 35mm厚度尺寸的具有抗磨、耐腐蚀、导电或含有自润滑性能的大厚度的晶粒度为微纳米或 纳米级的合金熔覆层，或含有碳化物、氮化物、硼化物、硅化物的其中之一或二种以上的组 合体纳米颗粒增强的具有抗磨、耐腐蚀、导电或含有自润滑性能的大厚度的晶粒度为微纳 米或纳米级的合金熔覆层，制备成晶粒度为微纳米或纳米级金属合金的大厚度覆层双金属 复合材料；或将上述合金粉体的其中之一种加入-10%的松香油或汽油橡胶溶液、树脂、 糊精其中之一或二种以上的组合体粘接剂，调制成合金料浆或膏体，将工件表面进行清洁 加工处理后，在工件表面刷涂一层松香油或汽油橡胶溶液、树脂、糊精其中之一或二种以上 的组合体的粘接剂，以改善工件表面与涂层的润湿性和粘接效果，根据工件形状和尺寸，采 用金属材料制造成相应形状和尺寸的模具，将工件放入模具中，将调制成料浆的合金粉体 自模具顶部灌入，同时对其进行振动，使合金粉体料浆得到紧实并消除浆料中的气泡，浇注 完毕后继续振动1 5min，取下模具，脱模后即获得涂有所需厚度合金粉体的工件，将工件 晾干或在50°C 90°C的温度下烘干；或将调制好的合金浆体或膏体，根据所需涂覆合金层 的厚度尺寸以涂抹或喷涂的方式涂熬于工件上，将其晾干或在50°C 90°C的温度下烘干； 将 70% 85% SiO2,12% 15% B2O3,8 12% Al2O3,0. 5% 2% Al 粉，0. 5% 2% MgO 混合，加入10% 15%的水玻璃和5 10%的水搅拌调制成涂料，然后将其涂覆在涂有 合金粉体的工件表面，使其形成一层厚度为0. 8 1. 5mm的具有高透气性的保护涂料，晾 干或烘干；在箱体内的底部铺一层铸造型砂，将涂覆有合金粉体和保护涂料的工件固定在 箱体内的所需位置上，然后在箱体内填上铸造型砂，将箱体密封，启动振动器进行振动，使 箱体内的铸造型砂紧实包裹住工件，启动真空泵对箱体进行抽真空，使箱体内的真空度达 到1 3 X 10-2mmHg，启动变频感应加热器对箱体内的涂覆有合金粉体和保护涂料的工件进 行感应加热熔烧，变频感应加热器的频率根据熔烧工件量的不同而在200Hz 500kHz之 间进行选择和分段调整，使其达到熔烧温度为950°C 1280°C，通过热电偶和温度控制器 对箱体内的温度进行测试和控制，烧结时间为IOmin 50min，在熔烧过程中真空泵和振动 器不停止对箱体进行抽真空和振动，在达到所预定的时间和温度后停止加热和抽真空和振 动，打开箱盖，使箱内温度下降到200°C后取出工件，即完成整个熔烧周期，即在工件的所需 部位得到熔覆有0. 1 35mm厚度尺寸的具有抗磨、耐腐蚀、导电或含有自润滑性能及其他 特殊性能的大厚度的晶粒度为微纳米或纳米级的合金熔烧层，或含有碳化物、氮化物、硼化 物、硅化物的其中之一或二种以上的组合体纳米颗粒增强的具有抗磨、耐腐蚀、导电或含有 自润滑性能及其他特殊性能的大厚度的晶粒度为微纳米或纳米级的合金熔烧层，制备成大 厚度覆层的晶粒度为微纳米或纳米级金属合金双金属复合材料。有益效果
上述方案中，充分利用纳米金属所具有的低熔点性能，通过添加适量的MgO和CaF2 和稀土合金使金属合金具有良好的韧性和塑性，具有良好的润湿性及自熔性，塑、韧性大， 能够阻止裂纹的产生，提高了合金粉料在快速熔覆成形中的抗裂性、成形性、工艺稳定性和 成分均勻性；通过在金属合金中添加一定量的晶粒细化和再结晶抑制剂，使其在微纳米或 纳米金属结晶过程中在金属内部形成一定的形核粒子，由于这些粒子几乎在固相线以下奥 氏体中析出，从而能够对基体金属的晶粒进行细化和抑制再结晶，提高材料的再结晶温度， 通过晶粒细化和再结晶抑制剂的加入，细化了金属的晶粒组织，实现了第二相超细粒子对 金属晶粒的钉扎作用，对后期热加工过程中的晶粒长大起钉扎阻碍作用，提高了金属材料 的组织稳定性和塑性稳定性和使用温度。为防止铸造过程中，纳米颗粒的晶粒长大，本发明 采用水冷结晶器对熔体进行快速冷却结晶，可有效地控制纳米晶粒和熔体晶粒的长大，同 时，由于复合层金属对熔覆层的冷却作用，从而对熔覆层金属合金形成了双向快速冷却，使 所制备的熔覆层金属合金具有高的致密度和细的结晶组织，从而实现了大厚度微纳米或纳 米金属合金双金属复合材料的的制备。在本发明中由于采用高能搅拌球磨制备微纳米或纳米金属粉体工艺，将金属合金 粉末和纳米增强颗粒与一定量的晶粒细化和抑制剂共同进行高能机械搅拌球磨，从而使纳 米颗粒与基体金属合金粉末和晶粒细化和抑制剂在搅拌球磨和混合过程中大量的碰撞现 象发生在球粉末与磨球之间，被捕获的粉末在碰撞作用下发生严重的塑性变形，使粉末反 复的焊合和断裂。经过“微型锻造”作用，元素粉末实现均勻混合，晶粒尺度达到微纳米级 或纳米级，比表面积大大增加。由于增加了反应的接触面积，缩短了扩散距离，元素粉末间 能充分进行扩散，扩散速率对反应动力的限制减小，而且晶粒产生高密度缺陷，储备了大量 的畸变能，使反应驱动力大大增加，可使互不相溶的合金元素或溶解度较低的合金粉末发 生互扩散，形成具有一定溶解度或较大溶解度的超饱和固溶体和非晶相，从而使粉体在混 合过程中实现纳米化和合成纳米化合物，实现晶粒细化和抑制剂和纳米增强颗粒在基体金 属中的均勻分布。由于在混合过程中加入了一定量的粘结剂，从而解决了纳米颗粒的团聚 和分散技术难题，而且生产效率高，制备成本低。本发明采用感应加热设备在低真空状态下进行感应熔覆。与传统的加热方式相 比，感应加热具有加热温度高，加热速度快，效率高，能耗小，涂层与基体的结合力强；加热 能量主要集中于工件表面，对基体的热影响小，可制备厚涂层，工艺控制灵活方便；同时工 件材料烧损小，无氧化，采用非接触式加热方式，在加热过程中不易掺入杂质，作业环境符 合环保要求，与激光熔涂等技术相比，感应加热能源消耗小，生产成本较低，而且易于实现 加热过程的自动化。由于采用感应加热设备对工件进行加热，加热均勻性好，并可以根据需 要调节熔覆温度，采用水冷结晶器技术成型可以任意控制冷却速度，提高了合金材料的冷 却强度，使熔覆层材料的结晶组织晶粒度细小，致密度高，无氧化。由于成形模相对于加热 源向下移动，且上部不断地由供料器提供新的原材料，成形模内的材料熔融区域可以始终 保持在所需的范围。整个模内材料的熔融和凝固则自下而上连续进行。这样逐步进行的熔 融和凝固可以防止或减轻成分和组织的偏析，而且具有一定的定向凝固效果，有利于提高 材料的性能，使所制备的熔覆层材料各项性能优良。可以制造大型工件，从而解决了目前国 内外无法制备大厚度层纳米金属表面熔覆层材料和大型工件纳米金属表面熔覆层的难题。本发明适用各种形状产品的表面整体合金涂层处理和局部梯度合金涂层处理。由于本发明采用独特的合金成分配比和快速冷却技术和凝固组织控制技术，克服了传统的各 种涂覆工艺所存在的涂覆层合金材料致密度低，结合层强度低和表面开裂等技术难题，所 制造的表面熔覆层材料各项性能优良，界面结合易于控制。可以对各种金属材料的表面进 行合金涂覆和熔覆处理。可以将加热和重熔一次完成，可以一次完成大厚度熔覆层工件的 制备，无需反复涂覆和烧结，可根据需要任意控制熔覆层厚度，材料利用率高，设备简单，投 资小，生产工艺简单和易于控制，生产效率高，加工余量小，制备成本低，产品性能和质量 好。不仅能够在在廉价的碳钢及其他金属材料的表面制作一层薄层的微纳米或纳米级熔覆 合金双金属复合材料，而具还可以制备具有大厚度的微纳米或纳米级熔覆合金双金属复合 材料，并且涂覆层或熔覆层厚度可以根据需要进行自由调节，以满足不同使用工况要求。对 提高工件使用寿命，降低工件制造和使用成本，提高生产效率，节约贵重合金和能源消耗， 实现纳米金属材料在工业上的实质上的应用，拓宽表面工程的应用领域，使金属基纳米复 合材料以其优良的特性在新材料、机械、石油、矿山、建材、工业锅炉、冶金、化工、汽车、航空 等领域发挥更加巨大的作用。具有良好的应用和推广前景，有着巨大的市场和良好的经济 效益。


图1为本发明第一实施例的结构图。图2为本发明第二实施例的结构图。图3为本发明第三实施例的结构图。
具体实施例方式实施例1 图1为真空感应熔覆设备。该设备由出水管1，颗粒下料器2，合金粉料 3，工件4，惰性气体输送管5，熔池6，成型模具7，变频感应加热器8，进水管9，底座10，高 能超声波振动器11，升降和抽锭设备12，熔覆层13，真空泵阀14，真空电机15，真空密封罩 16组成；在成型模具7的上部安装有1 6台颗粒下料器2，在成型模具7的外部安装有变 频感应加热器8，在成型模具7的下部安装有底座10和升降抽锭设备12，在成型模具7的 下部或上部或侧面安装有高能超声波振动器11，惰性气体输送管5安装在成型模具7的上 部，真空密封罩11对成型模具7设备进行密封，真空泵安装在真空密封罩11的底部、上部 或任一侧面，通过管道与真空泵阀14和真空泵电机15相连结，成型模具7为金属水冷结晶 器结构，在金属水冷结晶器成型模具7的下部设有进水管9，在金属水冷结晶器成型模具7 的上部设有出水管1，通过热电偶和温度控制器对成型模具7内的温度进行测试和控制，变 频感应加热器的频率可以从500Hz 300kHz之间分段无极调整。工作开始时，首先将H13热作模具钢制备成粉末，或采用金属和合金粉末按照H13 热作模具钢材料的合金成分进行配制，然后在其中按照质量百分比加入0. 5% CeO2,0. 5% MgO,0. 4% CaF2,0. 5B%,0. 3% Nb，0. 25% TiB,0. 2% TiN,0. 2% VN，其余为 Fe，将其组分 原料配比后，放入高能搅拌球磨机中进行搅拌球磨制备成微纳米或纳米合金粉体；然后在 上述合金粉体中加入5%的水玻璃粘接剂，混合后制成颗粒或粉状，经晾干或在50 90度 的温度下烘干，加入到颗粒下料器中，将经过表面清洁加工处理后的工件4放在成型模具7 内，将成型模具7固定在底座10上，启动真空泵对密封罩16内进行抽真空，使成型模具7内的真空度达到2. 8 X 10-2mmHg，使熔覆过程在真空中进行，以减少和消除熔融合金中的气 体和气孔，启动颗粒下料器2将所制备好的含有粘接剂的合金颗粒或合金粉3从成型模具7 的上部以lOOg/mni的流量连续加入到成型模7内，启动变频感应加热器8对成型模内的合 金颗粒或合金粉3和安装在成型模具7内的工件4进行感应加热，变频感应加热器8的频率 1500 2000Hz之间进行选择和分段无极调整，使其达到熔覆温度为1000°C 1050°C，通过 热电偶和温度控制器对成型模7内的温度进行测试和控制，使加入到成型模7内的合金颗 粒或合金粉3熔化，并与成型模具7内的工件4熔合，形成双金属复合体，启动升降抽锭设 备12，将成型模7以90 lOOmm/min的速度向下移动，通过控制颗粒下料器的下料速度和 升降设备的下降速度，使熔融区保持在40 50mm高度的范围内，使合金材料熔融和凝固在 成型模内的工件4的所需部位上，使熔覆层13与工件4形成冶金结合，合金材料在成型模 具内的凝固自下而上连续的逐层进行，启动高能超声波振动器11对熔融合金凝固组织进 行振动细化处理，熔覆完毕后，停止加热和抽真空，打开成型模具7，即在工件4的所需部位 得到熔覆有30mm厚度的具有抗磨、耐腐蚀的晶粒度为微纳米或纳米级的合金熔覆层13，从 而制备成晶粒度为微纳米或纳米级金属合金的大厚度熔覆层双金属复合材料。实施例2 在图2中，与图1的不同点为感应熔覆设备没有安装在真空密封罩内。工作开始时，首先将Cr12MoV冷作模具钢制备成粉末，或采用金属和合金粉末按照 Cr12MoV冷作模具钢材料的合金成分进行配制，然后在其中按照质量百分比加入0. 4% Y3O2， 0. 6%Mg0,0. 5% CaF2,0. 25%Nb,0. 30% TiB,0. 15%TiN,0. 25% VN，其余为 Fe，将其组分原 料配比后，放入高能搅拌球磨机中进行搅拌球磨制备成微纳米或纳米合金粉体；然后在上 述合金粉体中加入8%的松香油粘接剂，混合后制成颗粒或粉状，经晾干或在80度的温度 下烘干，加入到颗粒下料器中，将经过表面清洁加工处理后的工件4放在成型模具7内，将 成型模具7固定在底座10上，打开惰性气体阀门，通过惰性气体输送管5向成型模7内通入 惰性气体，使熔覆过程在保护气氛中进行；以减少和消除熔融合金中的气体和气孔，启动颗 粒下料器2将所制备好的含有粘接剂的合金颗粒或合金粉3从成型模具7的上部以130g/ mni的流量连续加入到成型模7内，启动变频感应加热器8对成型模内的合金颗粒或合金粉 3和安装在成型模具7内的工件4进行感应加热，变频感应加热器8的频率在80 IOOkHz 之间进行选择和分段无极调整，使其达到熔覆温度为io5o°c iioo°c，通过热电偶和温度 控制器对成型模7内的温度进行测试和控制，使加入到成型模7内的合金颗粒或合金粉3 熔化，并与成型模具7内的工件4熔合，形成双金属复合体，启动升降抽锭设备12，将成型模 具内熔覆好的并已经凝固在工件上的双金属复合材料从成型模具内以100 llOmm/min的 速度向下抽动，通过控制颗粒下料器的下料速度和升降设备的下降速度，使熔融区保持在 30 40mm高度的范围内，使合金材料熔融和凝固在成型模内的工件4的所需部位上，使熔 覆层13与工件4形成冶金结合，合金材料在成型模具内的凝固自下而上连续的逐层进行， 启动高能超声波振动器11对熔融合金凝固组织进行振动细化处理，熔覆完毕后，停止加热 和输入惰性气体，打开成型模具7，即在工件4的所需部位得到熔覆有20mm厚度的具有抗 磨、耐腐蚀的晶粒度为微纳米或纳米级的合金熔覆层13，从而制备成晶粒度为微纳米或纳 米级金属合金的大厚度熔覆层双金属复合材料。其它过程及设备与实施例1相同。略。实施例3 图3为真空感应熔烧设备。该设备由箱盖17，熔覆层18，工件19，保护涂料20，变频感应加热器21，箱体22，制造型砂23，真空泵阀门24，真空泵电机25，振动器 26组成，变频感应加热器21安装在箱体22的内部，振动器26安装在箱体22的底部或侧 部，振动器22为机械振动或超声波振动，变频感应加热器21的频率可以从200Hz 500kHz 之间分段无极调整，真空泵安装在箱体22的任一侧面，通过管道与真空泵阀门24和真空泵 相连结。工作开始时，首先将高铬铸铁制备成粉末，或采用金属和合金粉末按照Cr12MoV冷 作模具钢材料的合金成分进行配制，然后在其中按照质量百分比加入0. 3% CeO2^O. 2% Υ302、0· 3 % La2O3,0. 7% MgO, 0.5% CaF2,0. 20 % Nb,0. 25% TiB, 0. 15 % TiN, 0. 30 % VN,其 余为Fe，在所述成分的合金粉体中加入质量百分比含量为30%的WC和10%的TiC微纳米 增强颗粒，将其组分原料配比后，放入高能搅拌球磨机中进行搅拌球磨制备成含有碳化物 增强颗粒的微纳米或纳米合金粉体；然后在上述合金粉体中加入7%的松香油粘接剂，调 制成合金料浆或膏体，将工件19表面进行除油、去污、喷砂预加工处理，根据所熔覆的工件 形状和尺寸，采用金属材料制造成相应形状和尺寸的模具，将需熔覆的工件放入模具中，将 调制成料浆的合金粉体自模具顶部灌入，同时对其进行振动，使合金粉体料浆得到紧实并 消除浆料中的气泡，浇注完毕后继续振动7min，取下模具，脱模后即获得涂有所需厚度合金 粉体的工件，将工件在90°C的温度下烘干；将70% SiO2,15%% B2O3' 12. 5% Al2O3，0. 5%% Al粉，2 % MgO混合，加入8 %的水玻璃和9 %的水搅拌调制成涂料，然后将其涂覆在涂有 合金粉体的工件19表面，使其形成一层厚度为1. Omm的具有高透气性的保护涂料20，在 850C的温度下烘干；在箱体22内的底部铺一层铸造型砂23，将涂覆有合金粉体和保护涂 料20的工件19固定在箱体22内的所需位置上，然后在箱体22内填上铸造型砂23，将箱 盖17盖好密封，启动振动器26进行振动，使箱体22内的铸造型砂23紧实包裹住工件19， 启动真空泵电机25，打开真空泵阀门24对箱体22进行抽真空，使箱体22内的真空度达到 2. 5 X 10_2mmHg，启动变频感应加热器21对箱体22内的涂覆有合金粉体和保护涂料20的工 件19进行感应加热熔烧，变频感应加热器21的频率在2500Hz 3000Hz之间进行分段无 极调整，使其达到熔烧温度为1000°C 1050°C，通过热电偶和温度控制器对箱体22内的温 度进行测试和控制，烧结时间为25min，在熔烧过程中真空泵和振动器不停止对箱体进行抽 真空和振动，在达到所预定的时间和温度后停止加热和抽真空和振动，打开箱盖17，使箱内 温度下降，待降到200°C后取出工件，即完成整个熔烧周期，即在工件19的所需部位得到熔 覆有15mm厚度的具有抗磨、耐腐蚀的晶粒度为微纳米或纳米级的合金熔覆层18，从而制备 成晶粒度为微纳米或纳米级金属合金的大厚度熔覆层双金属复合材料。其它过程及设备与实施例1和2相同。略。
权利要求
一种微纳米合金双金属复合材料制备工艺，其特征在于将各种材质的热作模具钢、冷作模具钢、高速工具钢、高铬铸铁、不锈钢、耐热钢、各种耐磨、耐腐蚀黑色金属材料、各种有色金属材料、各种自熔合金的其中之一种制备成粉末，或采用金属和合金粉末按照上述各种金属合金材料的成分进行配制，然后在其中按照质量百分比加入CeO2、Y3O2、La2O3其中之一或二种以上的组合的≤0.8％，0.3 1.5％MgO，0.3 1.8％CaF2，0.0 1.5B％，0.1 0.8％Nb，0.1 1.0％Ti，0.1 2.0的Cr3C2、VC、TaC、ZrC、NbC、HfC、TiB、TiN、NbN、AlN、VN、Ca、Al、Ba、Mg、N元素的其中之一或二种以上的组合体的晶粒细化和再结晶抑制剂，将其组分原料配比后，放入高能搅拌球磨机中进行搅拌球磨制备成微纳米或纳米合金粉体；或在上述成分的合金粉体中加入质量百分比含量为1％ 40％的强碳氮硼化物形成合金元素超细粉体与原位合成碳氮硼化物化学反应所需剂量的C粉，Al粉，CuO2或B2O3或Fe2O3其中之一或二种以上的组合体，经混合后放入搅拌球磨机内共同进行搅拌球磨，使其在搅拌球磨机内原位合成质量百分比含量为1％ 40％的Ti、Nb、V、B、W、Si、Zr的其中之一或二种以上的组合体的碳化物、氮化物、硼化物或碳氮化物颗粒增强的微纳米或纳米混合粉体；或在所述上述成分的合金粉体中加入质量百分比含量为1％ 40％的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物或碳氮化物其中之一或组合体的纳米颗粒，将其在搅拌球磨机中通过搅拌球磨工艺制备成含有碳化物、氮化物、硼化物、硅化物或碳氮化物其中之一或二种以上的组合体的外加纳米颗粒增强的微纳米或纳米混合粉体；将上述合金粉体的其中之一种加入1％ 8％的水玻璃、松香油或汽油橡胶溶液、树脂、糊精其中之一或二种以上的组合体粘接剂，混合后制成颗粒或粉状，经晾干或在50～90度的温度下烘干，加入到颗粒下料器中，将经过表面清洁加工处理后的工件放在成型模具内，将成型模具固定在底座上，打开惰性气体阀门，通过惰性气体输送管向成型模内通入惰性气体，使熔覆过程在保护气氛中进行；或启动真空泵对密封罩内进行抽真空，使成型模具内的真空度达到1～3×10 2mmHg，使熔覆过程在真空中进行；启动颗粒下料器将所制备好的含有粘接剂的合金颗粒或合金粉从成型模的上部按照所预定的流量，以5～500g/mni连续加入到成型模内，启动变频感应加热器对成型模内的合金颗粒或合金粉和安装在成型模具内的工件进行感应加热，变频感应加热器的频率根据熔覆工件质量和尺寸和熔覆层厚度的不同而在500Hz～300kHz之间进行选择和分段无极调整，使其达到熔覆温度为950℃～1280℃，通过热电偶和温度控制器对成型模内的温度进行测试和控制，使加入到成型模内的合金颗粒或合金粉熔化，并与成型模具内的工件熔合，形成双金属复合体，启动升降设备，将成型模以2～150mm/min的速度向下移动，或将成型模具内熔覆好的并已经凝固在工件上的双金属复合材料从成型模具内以2～150mm/min的速度向下抽动，通过控制颗粒下料器的下料速度和升降设备的下降或抽锭速度，使熔融区保持在5～50mm高度的范围内，使合金材料熔融和凝固在成型模内的工件的所需部位上，使熔覆层与工件形成冶金结合，合金材料在成型模具内的凝固自下而上连续的逐层进行，启动超声波振动器对熔融合金凝固组织进行振动细化处理，熔覆完毕后，停止加热和输入惰性气体或抽真空，打开成型模具，即在工件的所需部位得到熔覆有0.1～35mm厚度尺寸的具有抗磨、耐腐蚀、导电或含有自润滑性能的大厚度的晶粒度为微纳米或纳米级的合金熔覆层，或含有碳化物、氮化物、硼化物、硅化物的其中之一或二种以上的组合体纳米颗粒增强的具有抗磨、耐腐蚀、导电或含有自润滑性能的大厚度的晶粒度为微纳米或纳米级的合金熔覆层，制备成大厚度金属合金覆层双金属复合材料；或将上述合金粉体的其中之一种加入1％ 10％的松香油或汽油橡胶溶液、树脂、糊精其中之一或二种以上的组合体粘接剂，调制成合金料浆或膏体，将工件表面进行清洁加工处理后，在工件表面刷涂一层松香油或汽油橡胶溶液、树脂、糊精其中之一或二种以上的组合体的粘接剂，根据工件形状和尺寸，采用金属材料制造成相应形状和尺寸的模具，将工件放入模具中，将调制成料浆的合金粉体自模具顶部灌入，同时对其进行振动，使合金粉体料浆得到紧实并消除浆料中的气泡，浇注完毕后继续振动1～5min，取下模具，脱模后即获得涂有所需厚度合金粉体的工件，将工件晾干或在50℃～90℃的温度下烘干；或将调制好的合金浆体或膏体，根据所需涂覆合金层的厚度尺寸以涂抹或喷涂的方式涂熬于工件上，将其晾干或在50℃～90℃的温度下烘干；将70％～85％SiO2，12％～15％B2O3，8～12％Al2O3，0.5％～2％Al粉，0.5％～2％MgO混合，加入10％～15％的水玻璃和5～10％的水搅拌调制成涂料，然后将其涂覆在涂有合金粉体的工件表面，使其形成一层厚度为0.8～1.5mm的具有高透气性的保护涂料，晾干或烘干；在箱体内的底部铺一层铸造型砂，将涂覆有合金粉体和保护涂料的工件固定在箱体内的所需位置上，然后在箱体内填上铸造型砂，将箱体密封，启动振动器进行振动，使箱体内的铸造型砂紧实包裹住工件，启动真空泵对箱体进行抽真空，使箱体内的真空度达到1～3×10 2mmHg，启动变频感应加热器对箱体内的涂覆有合金粉体和保护涂料的工件进行感应加热熔烧，变频感应加热器的频率根据熔烧工件量的不同而在500Hz～300kHz之间进行选择和分段调整，使其达到熔烧温度为950℃～1280℃，通过热电偶和温度控制器对箱体内的温度进行测试和控制，烧结时间为10min～50min，在熔烧过程中真空泵和振动器不停止对箱体进行抽真空和振动，在达到所预定的时间和温度后停止加热和抽真空和振动，打开箱盖，使箱内温度下降到200℃后取出工件，即完成整个熔烧周期，即在工件的所需部位得到熔覆有0.1～35mm厚度尺寸的具有抗磨、耐腐蚀、导电或含有自润滑性能的大厚度的晶粒度为微纳米或纳米级的合金熔烧层，或含有碳化物、氮化物、硼化物、硅化物的其中之一或二种以上的组合体纳米颗粒增强的具有抗磨、耐腐蚀、导电或含有自润滑性能的大厚度的晶粒度为微纳米或纳米级的合金熔烧层，制备成大厚度金属合金覆层双金属复合材料。
2.一种实现微纳米合金双金属复合材料制备工艺的设备，其特征是该设备由颗粒下 料器、变频感应加热器、底座、升降抽锭设备、惰性气体输送管、成型模具、高能超声波振动 器和真空罩组成，在成型模具的上部安装有1 6台颗粒下料器，在成型模具的外部安装有 变频感应加热器，在成型模具的下部安装有底座和升降抽锭设备，在成型模具的下部或上 部或侧面安装有高能超声波振动器，惰性气体输送管安装在成型模具的上部，真空罩对成 型模具设备进行密封，真空泵安装在真空罩的底部、上部或任一侧面，通过管道与控制阀门 和真空泵相连结，通过热电偶和温度控制器对成型模具内的温度进行测试和控制；或由箱盖、工件、变频感应加热器、铸造型砂、真空泵、真空泵阀门、管道、振动器和箱体 组成，变频感应加热器安装在箱体的内部，振动器安装在箱体的底部或侧部，振动器为机械 振动或超声波振动，真空泵安装在箱体的任一侧面，通过管道与真空泵阀门和真空泵相连 结，通过热电偶和温度控制器对箱体内的温度进行测试和控制。
3.根据权利要求2所述的微纳米合金双金属复合材料制备工艺的设备，其特征是成型模具根据所用材料不同而分为耐火材料或石墨材料成型模具，金属水冷结晶器成型模 具，在金属水冷结晶器的下部设有进水管，在金属水冷结晶器的上部设有出水管。
4.根据权利要求2所述的微纳米合金双金属复合材料制备工艺的设备，其特征是变 频感应加热器的频率可以从500Hz 300kHz之间分段无极调整。
全文摘要
本发明为一种微纳米合金双金属复合材料制备工艺及设备，将各种材质的耐磨、耐腐蚀黑色金属材料、有色金属材料、各种自熔合金的其中之一种制备成粉末，然后在其中按照质量百分比加入CeO2、Y3O2、La2O3其中之一或组合的≤0.8％，0.3-1.5％MgO，0.3-1.8％CaF2，0.0-1.5B％，0.1-0.8％Nb，0.1-1.0％Ti，0.1-2.0的晶粒细化和再结晶抑制剂，或在其中加入1％-40％的碳化物、氮化物、硼化物的微纳米或纳米颗粒，放入高能搅拌球磨机中进行搅拌球磨制备成微纳米或纳米合金粉体。采用变频感应加热设备将其在真空或惰性气体中进行熔覆和熔烧，在工件上得到熔覆有0.1～35mm的具有抗磨、耐腐蚀的晶粒度为微纳米或纳米级的合金熔覆层，制备成双金属复合材料。克服了目前国内外各种涂覆工艺所存在的弊端，可以一次完成大厚度熔覆层工件的制备，无需反复涂覆和烧结，材料利用率高，加工余量小，制备成本低，制备工艺简单，生产效率高。
文档编号B22D27/20GK101898241SQ20101025066
公开日2010年12月1日 申请日期2010年8月11日 优先权日2010年8月11日
发明者丁刚, 丁家伟, 孙健, 强颖怀, 耿德英, 郭长庆 申请人:丁家伟