专利名称：陶瓷柱阵列增强金属基复合材料或部件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷/金属复合材料及部件制备技术领域，具体涉及一种陶瓷柱阵列增强金属基复合材料或部件及其制备方法。
背景技术：
陶瓷与金属复合形成的陶瓷增强金属基复合材料或部件一定程度上可充分发挥两类材料的性能优势，如陶瓷材料的高强、高硬、耐磨蚀、耐磨损、耐高温等特性和金属材料的高韧性与高延展性，使得其在承载、磨损、高温、腐蚀环境下得到广泛应用。陶瓷增强体的均匀性及其在使用过程中的可靠性直接影响陶瓷增强金属基复合材料的使用性能，而其可靠性与陶瓷的增强形式和陶瓷/金属界面特性密切相关。目前，陶瓷增强金属基复合材料中的陶瓷单元主要包括陶瓷颗粒、纤维、晶须、多孔或网络陶瓷预制体等。陶瓷颗粒、纤维和晶须增强相为最常见的增强体，但其在基体中难以达到较高的体积分数，与金属复合形成非连续界面，易在使用过程中造成增强相脱落。三维网络陶瓷增强金属基复合材料是近年来的研究热点，但由于网络陶瓷在制备上工艺较复杂，也很难实现大试样的制备。如何有效实现陶瓷增强体的均匀性、提升复合材料使用过程中增强体的可靠性(直接影响使用寿命)以及降低其制造成本是目前陶瓷增强金属基复合材料所面临的主要关键技术难题。中国专利CN101912957A “网络互穿型陶瓷-金属复合材料及其制备方法”涉及网络互穿型陶瓷增强金属基复合材料，但其陶瓷只指SiC陶瓷支架，且该陶瓷也未进行任何表面处理。中国专利“SiC陶瓷表面处理方法及其用途”(受理号201110211637.7)只涉及 SiC陶瓷的TiH2处理，而未涉及其他陶瓷材料的TiH2处理以及SiC陶瓷TiH2处理后进一步的镀Ni或W金属化。中国专利CNlO 1463182A “一种超微细压电陶瓷阵列结构复合材料及其制备方法”中也提到了陶瓷阵列这个概念，但该专利的阵列属于微观范畴，用于制备功能材料，与本专利采用宏观陶瓷阵列制备结构材料不同。中国专利ZL200510046691.X “三维网络陶瓷-金属摩擦复合材料的真空气压铸造方法”中对三维网络陶瓷的骨架采用的表面预氧化处理、无机物(为氧化铝、氧化硅、氧化铬或其混合物)改性、电镀包覆或粉末冶金方法扩散烧结一层高熔点金属，与本专利采用的陶瓷表面金属化、陶瓷化(包括TiH2处理和熔盐处理)或陶瓷化+金属化方法明显不同。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种陶瓷柱阵列增强金属基复合材料或部件及其制备方法，本发明采用简单的工艺形成陶瓷柱阵列，使其作为增强相来增强金属基体，从而制备得到性能与可靠性均较好的陶瓷/金属复合材料或部件。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现一种陶瓷柱阵列增强金属基复合材料或部件，该复合材料或部件包括金属基体2 以及规则排列在金属基体2内的陶瓷柱I，所述陶瓷柱I与金属基体2之间形成整体或局部复合。所述每个单独陶瓷柱I 为单一材质，为 Al203、Zr02、Si02、SiC、B4C、Si3N4、TiC、TiN、 TiB2中的一种，所述陶瓷阵列为多个单一材质的陶瓷柱I组成或多个不同材质的陶瓷柱I 组成。所述金属基体2材质为Al合金、Cu合金、Zn合金、Mg合金、Ti合金、铸钢或铸铁中的一种。一种陶瓷柱阵列增强金属基复合材料或部件的制备方法，包括如下步骤步骤I :陶瓷阵列的固定按照需要的陶瓷柱间距和排布方式，将一种或一种以上陶瓷柱I直接固定于砂型、金属型或石墨型铸腔内，或采用石墨或金属板将一种或一种以上陶瓷柱I辅助固定于砂型、金属型或石墨型铸腔内。步骤2 :金属铸造采用重力铸造或负压铸造技术将熔融金属浇注于设有陶瓷柱阵列的铸腔内，将陶瓷阵列与金属复合为一体。步骤I所述的陶瓷阵列固定之前对陶瓷柱采用表面金属化、陶瓷化或陶瓷化+金属化方法中的一种对陶瓷材料进行表面预处理。所述的陶瓷柱表面金属化为采用Al2O3陶瓷柱的烧结金属化，再镀Ni和烧Ni处理，其工艺为将球磨好的混合粉末中位径为I. 642微米、质量比为70 12 10.5 7.5 的Μο、Μη0、Α1203和5丨02金属化混合粉末、草酸乙二酯和胶棉溶液按比例为5g 6ml 5ml, 调制得到的Mo-Mn金属化膏剂涂敷于清洗后的Al2O3陶瓷柱表面，待干燥后置于H2炉中缓慢升温至1450°C，保温30-60min进行烧结金属化处理，然后再进行镀Ni，最后在温度为 1000°C的真空炉中保温60min进行烧结Ni处理。所述的陶瓷柱表面陶瓷化包括对Al2O3陶瓷柱的熔盐处理，其工艺为先将陶瓷柱埋于质量比为I : I的NiSO4 ·6Η20和Na2SO4的混合盐中，然后加热至900°C，保温60min使 NiSO4熔化和分解，以在Al2O3表面形成含NiO的陶瓷层，然后冷却，再用水煮洗掉陶瓷表面的盐即可。所述的陶瓷柱表面陶瓷化也包括对A1203、ZrO2, SiO2, SiC、B4C或Si3N4陶瓷采用 TiH2处理，其工艺为将球磨好的中位径为2. 785微米的TiH2粉末、草酸乙二酯和胶棉溶液按比例为5g 4ml 4ml制备好的TiH2膏剂涂敷于清洗后的陶瓷柱表面，待干燥后置于温度为1000-1200°C真空炉中保温15-60min，以在陶瓷表面形成含TiC的陶瓷层。所述的陶瓷表面陶瓷化+金属化工艺为先对Al2O3、ZrO2、SiO2、SiC、B4C或Si3N4陶瓷柱采用TiH2处理，再进行镀W或Ni。采用TiH2处理的工艺为将球磨好的中位径为2. 785 微米的TiH2粉末、草酸乙二酯和胶棉溶液按比例为5g 4ml 4ml制备好的TiH2膏剂涂敷于清洗后的陶瓷柱表面，待干燥后置于温度为1000-1200°C真空炉中保温15-60min。步骤2根据浇注金属材料的不同，采用相应不同的铸造工艺，对于Al及其合金采用金属型重力铸造工艺，浇注温度为730-780°C ;对于钢铁材料采用砂型重力铸造工艺，浇注温度为1400°C ;对于Cu及其合金采用金属型重力铸造工艺，浇注温度为1100°C ;对于Mg 合金采用金属型负压铸造工艺，浇注温度为70(TC;对于Zn合金采用金属型负压铸造工艺， 浇注温度为1080°C，对于Ti合金采用金属型负压铸造工艺，浇注温度为1800°C。与现有技术相比，本发明的有益效果是能够制备不同陶瓷含量，不同陶瓷种类， 不同陶瓷分布的陶瓷宏观增强金属基复合材料或部件，体积含量最高可达70% ;可实现金属基复合材料中陶瓷增强体的宏观均匀性，对陶瓷进行TiH2处理后，再进行镀W或Ni处理， 能够获得更优良的陶瓷/金属界面结合，有利于提高复合材料在服役过程中的可靠性。另外，制备工艺简单、经济，制备的复合材料或部件也特别适合摩擦磨损领域，其耐磨性能比金属基体材料可提闻25%以上。
图I是整体复合的陶瓷柱阵列增强金属基复合材料示意图，其中图1(a)为复合材料俯视图；图1(b)为复合材料俯视图沿A-A向剖面图。图2是局部复合的陶瓷柱阵列增强金属基复合材料示意图，其中图2(a)为复合材料俯视图；图2(b)为复合材料俯视图沿B-B向剖面图。图3是局部复合的陶瓷柱阵列增强金属基复合部件示意图，其中图3(a)为复合部件俯视图；图3(b)为复合部件俯视图沿C-C向剖面图。图中，I、陶瓷柱；2、金属基体。
具体实施例方式以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。如图I、图2和图3所示，本发明陶瓷柱阵列增强金属基复合材料或部件，该复合材料或部件包括金属基体2以及规则排列在金属基体2内的陶瓷柱1，所述陶瓷柱I与金属基体2之间形成整体或局部复合；其中图I为整体复合的陶瓷阵列增强金属基复合材料，图2 为局部复合的陶瓷阵列增强金属基复合材料，图3为局部复合的陶瓷阵列增强金属基复合部件。每个单独陶瓷柱 I 为单一材质，为 Al203、Zr02、Si02、SiC、B4C、Si3N4、TiC、TiN、TiB2 中的一种，陶瓷阵列为多个单一材质的陶瓷柱I组成或多个不同材质的陶瓷柱I组成；金属基基体材质为Al、Cu、Fe、Zn、Mg、Ti及其合金中的一种。实施例IAl2O3陶瓷柱阵列整体增强Al基复合材料的制备方法步骤I :陶瓷柱的预处理首先将尺寸为02mmx5O mm的Al2O3陶瓷柱进行清洗，再采用经球磨好的混合粉末中位径为I. 642微米的质量比为70 12 10. 5 7. 5的 Μο、Μη0、Α1203和5丨02金属化混合粉末、草酸乙二酯和胶棉溶液按比例为5g 6ml 5ml调制好的Mo-Mn金属化膏剂涂敷于清洗后的Al2O3陶瓷柱表面，待干燥后置于氢气炉1450°C， 保温50min进行金属化处理，然后再进行电镀或化学镀5-10 μ m的Ni，最后在温度为 1000°C的真空炉中保温60min进行烧结Ni处理。步骤2 :陶瓷阵列的固定将金属化好的Al2O3陶瓷柱按照中心间距为8mm进行规则排布，直接插入固定于砂型底部。步骤3 :金属铸造在730°C左右的浇注温度下，采用重力铸造方法将Al合金(牌号为7A04)浇注于设有Al2O3陶瓷柱阵列且预热好的砂型内，将陶瓷阵列与Al合金复合为一体。实施例2Al2O3陶瓷柱阵列整体增强Al基复合材料的制备方法步骤I :陶瓷柱的预处理首先将尺寸为04mmx6Omm的Al2O3陶瓷柱进行清洗，再将陶瓷柱埋于质量比为I : I的NiSO4 ·6Η20和Na2SO4混合盐中，然后加热至900°C保温 60分钟使NiSO4熔化和分解，然后冷却，再用水煮洗去掉陶瓷表面的盐即可。步骤2 :阵列的固定将预处理好的Al2O3陶瓷柱按中心间距为IOmm进行交替排布，并直接插入固定于砂型底部。步骤3 :金属铸造在780°C的浇注温度下，采用负压铸造方法将熔融Al合金(牌号为ZL104)浇注于设有陶瓷柱阵列且预热好的金属铸型内，将陶瓷阵列与Al合金复合为一体。实施例3A1203、ZrO2和SiO2陶瓷柱阵列整体增强Mg基复合材料的制备方法步骤I :陶瓷柱的预处理首先将尺寸为03mmx6Omm的Al203、Zr0和SiO2陶瓷柱进行清洗，再采用球磨好的中位径为2. 785微米的TiH2粉末、草酸乙二酯和胶棉溶液按比例为5g 4ml 4ml调制好的TiH2膏剂涂敷于清洗后的三种陶瓷柱表面，待干燥后置于真空炉中1000°C，保温30min处理。步骤2 :阵列的固定将预处理好的A1203、ZrO2和SiO2陶瓷柱按中心间距为IOmm
进行交替排布，并直接插入固定于砂型底部。(3)金属铸造在700°C左右的浇注温度下，采用负压铸造方法将熔融Mg合金(牌号为AZ91D)浇注于设有陶瓷柱阵列且预热好的金属铸型内，将陶瓷阵列与Mg合金复合为一体。实施例4SiC陶瓷柱阵列整体增强Zn基复合材料的制备方法:步骤I:陶瓷柱的预处理将尺寸为06mmx8Omm的SiC陶瓷柱进行清洗，不再经过进一步的表面处理。步骤2 :陶瓷阵列的固定先在石墨板一正面上加工孔阵列，其中孔直径为6mm、深度为10mm、孔间距为15mm，然后将SiC陶瓷柱插入所有孔中，形成SiC陶瓷阵列。步骤3 :金属铸造在1080°C的浇注温度下，采用负压铸造法将Zn合金(牌号为 ZA27)浇注入附有SiC陶瓷阵列的砂型之中，将陶瓷阵列与Zn合金复合为一体。实施例5SiC陶瓷柱阵列整体增强Cu基复合材料的制备步骤I :陶瓷柱的预处理首先将尺寸为05mmx6Omm的SiC陶瓷柱进行清洗，再采用球磨好的中位径为2. 785微米的TiH2粉末、草酸乙二酯和胶棉溶液按比例为 5g 4ml 4ml调制好的TiH2膏剂涂敷于清洗后的三种陶瓷柱表面，待干燥后置于真空炉中1200°C，保温15min处理，然后进行化学镀或电镀5_10 μ m的Ni膜，或再进一步进行 IOOO0C，60min 的烧 Ni 处理。步骤2 :陶瓷阵列的固定先在灰口铸铁板一正面上加工孔阵列，其中孔直径为 5mm、深度为10mm、孔间距为15臟，然后将SiC陶瓷柱插入所有孔中，形成SiC陶瓷阵列。步骤3 :金属铸造在1100°C的浇注温度下，采用重力铸造法将ZQA19-4铝铁青铜浇注入附有SiC陶瓷阵列的铸铁金属型之中，将陶瓷阵列与铝铁青铜复合为一体。实施例6Si3N4陶瓷柱阵列局部增强Fe基复合材料的制备
步骤I :陶瓷柱的预处理首先将尺寸为06mmx2Omm的Si3N4陶瓷柱进行清洗， 再经过采用球磨好的中位径为2. 785微米的TiH2粉末、草酸乙二酯和胶棉溶液按比例为 5g 4ml 4ml调制好的TiH2膏剂涂敷于清洗后的三种陶瓷柱表面，待干燥后置于真空炉中1000°C，保温60min处理，然后再进行化学镀3 5 μ m的W膜。步骤2 :陶瓷阵列的固定先在灰口铸铁板一正面上加工孔阵列，其中孔直径为 6mm、深度为10mm、孔间距为20臟，然后将Si3N4陶瓷柱插入所有孔中，形成Si3N4陶瓷阵列。步骤3:金属铸造在1400 °C的浇注温度下，采用重力铸造法将高铬铸铁 (3Crl4Mn4B)浇注入附有Si3N4陶瓷阵列的砂型之中，将陶瓷阵列与高铬铸铁复合形成陶瓷局部增强金属复合材料。实施例7SiC陶瓷柱阵列局部增强铸铁基复合环形部件的制备步骤I :陶瓷柱的预处理首先将尺寸为01Ommx2Omm的SiC陶瓷柱进行清洗，再采用球磨好的中位径为2. 785微米的TiH2粉末、草酸乙二酯和胶棉溶液按比例为 5g 4ml 4ml调制好的TiH2膏剂涂敷于清洗后的三种陶瓷柱表面，待干燥后置于真空炉中1100°C，保温30min处理，然后再进行磁控溅射镀I μ m的W膜。步骤2 :陶瓷阵列的固定将步骤I表面处理好的SiC陶瓷柱按中心间距为25mm
直接固定与环形砂型外壁。步骤3 :金属铸造在1400°C的浇注温度下，采用重力铸造法将耐热钢 (ZG30Cr7Si2)浇注入附有SiC陶瓷阵列的砂型之中，将陶瓷阵列与耐热钢复合为一体。实施例8SiC和B4C陶瓷柱阵列局部增强钢基复合部件的制备步骤I :陶瓷柱的预处理首先将尺寸为06mmx2Omm的SiC和B4C陶瓷柱进行清洗，再采用球磨好的中位径为2. 785微米的TiH2粉末、草酸乙二酯和胶棉溶液按比例为 5g 4ml 4ml调制好的TiH2膏剂涂敷于清洗后的两种陶瓷柱表面，待干燥后置于真空炉中1000°C，保温30min处理，然后再进行化学镀3_5 μ m的W膜。步骤2 :陶瓷阵列的固定将上述表面处理好的SiC和B4C陶瓷柱按中心间距为 15mm :交替固定于圆形砂型侧壁。步骤3 :金属铸造在1400°C的浇注温度下，采用重力铸造法将高锰钢 (ZGMnl8Cr2)浇注入附有SiC陶瓷阵列的砂型之中，将陶瓷阵列与高锰钢复合为一体。实施例9TiN, TiC和TiB2陶瓷柱阵列整体增强Ti基复合材料的制备:步骤I:陶瓷柱的预处理首先将尺寸为04mmX60mm的TiN、TiC和TiB2陶瓷柱进行清洗，不再经过进一步的表面预处理。步骤2 :陶瓷阵列的固定先在方形石墨型底部加工孔阵列，其中孔直径为4_、深度为10mm、孔间距为15mm，然后将TiN、TiC和TiB2陶瓷柱交替插入所有孔中，形成陶瓷阵列。步骤3 :金属铸造在约1800°C的浇注温度下，采用负压铸造法(即石墨型精密铸造法)将Ti合金(Ti-6A1-4V)浇注入附有TiN、TiC和TiB2陶瓷阵列的石墨型之中，将陶瓷阵列与Ti合金复合为一体。
本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、 指导性的、而不是限制性的，如也可采用不同的陶瓷种类或组合、金属基体材料、铸造工艺制备具有不同陶瓷增强位置的陶瓷阵列增强金属基复合材料或部件。
权利要求
1.一种陶瓷柱阵列增强金属基复合材料或部件，其特征在于该复合材料或部件包括金属基体(2)以及规则排列在金属基体(2)内的陶瓷柱(I)，所述陶瓷柱(I)与金属基体(2)之间形成整体或局部复合。
2.根据权利要求I所述的复合材料或部件，其特征在于所述每个单独陶瓷柱(I)为单一材质，为 Al2O3' ZrO2, Si02、SiC, B4C、Si3N4' TiC, TiN, TiB2 中的一种，所述陶瓷阵列为多个单一材质的陶瓷柱(I)组成或多个不同材质的陶瓷柱(I)组成。
3.根据权利要求I所述的复合材料或部件，其特征在于所述金属基体(2)材质为Al 合金、Cu合金、Zn合金、Mg合金、Ti合金、铸钢或铸铁中的一种。
4.权利要求I至3任一项所述复合材料或部件的制备方法，其特征在于包括如下步骤步骤I :陶瓷阵列的固定按照需要的陶瓷柱间距和排布方式，将一种或一种以上陶瓷柱(I)直接固定于砂型、金属型或石墨型的铸腔内，或采用石墨或金属板将一种或一种以上陶瓷柱(I)辅助固定于砂型、金属型或石墨型的铸腔内；步骤2 :金属铸造采用重力铸造或负压铸造技术将熔融金属浇注于设有陶瓷柱阵列的铸腔内，将陶瓷阵列与金属复合为一体。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤I所述的陶瓷阵列固定之前对陶瓷柱采用表面金属化、陶瓷化或陶瓷化+金属化方法中的一种对陶瓷材料进行表面预处理。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述的陶瓷柱表面金属化为采用 Al2O3陶瓷柱的烧结金属化，再镀Ni和烧Ni处理，其工艺为将球磨好的混合粉末中位径为I.642微米、质量比为70 12 10. 5 7. 5的Mo、MnO、Al2O3和SiO2金属化混合粉末、草酸乙二酯和胶棉溶液按比例为5g 6ml 5ml，调制得到的Mo-Mn金属化膏剂涂敷于清洗后的Al2O3陶瓷柱表面，待干燥后置于H2炉中缓慢升温至1450°C，保温30-60min进行烧结金属化处理，然后再进行镀Ni，最后在温度为1000°C的真空炉中保温60min进行烧结Ni处理。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述的陶瓷柱表面陶瓷化包括对 Al2O3陶瓷柱的熔盐处理，其工艺为先将陶瓷柱埋于质量比为I : I的NiSO4 WH2C^PNa2SO4 的混合盐中，然后加热至900°C，保温60min使NiSO4熔化和分解，以在Al2O3表面形成含NiO 的陶瓷层，然后冷却，再用水煮洗掉陶瓷表面的盐即可。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述的陶瓷柱表面陶瓷化也包括对 Al203、Zr02、Si02、SiC、B4C或Si3N4陶瓷采用TiH2处理，其工艺为将球磨好的中位径为2. 785 微米的TiH2粉末、草酸乙二酯和胶棉溶液按比例为5g 4ml 4ml制备好的TiH2膏剂涂敷于清洗后的陶瓷柱表面，待干燥后置于温度为1000-120(TC真空炉中保温15-60min，以在陶瓷表面形成含TiC的陶瓷层。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述的陶瓷表面陶瓷化+金属化工艺为:先对Al203、Zr02、Si02、SiC、B4C或Si3N4陶瓷柱采用TiH2处理，再进行镀W或Ni。采用TiH2处理的工艺为将球磨好的中位径为2. 785微米的TiH2粉末、草酸乙二酯和胶棉溶液按比例为5g 4ml 4ml制备好的TiH2膏剂涂敷于清洗后的陶瓷柱表面，待干燥后置于温度为1000-1200°C真空炉中保温15-60min。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤2根据浇注金属材料的不同，采用相应不同的铸造工艺，对于Al及其合金采用金属型重力铸造工艺，浇注温度为 730-7800C ;对于钢铁材料采用砂型重力铸造工艺，浇注温度为1400°C ;对于Cu及其合金采用金属型重力铸造工艺，浇注温度为110(TC ;对于Mg合金采用金属型负压铸造工艺，浇注温度为700°C ;对于Zn合金采用金属型负压铸造工艺，浇注温度为1080°C，对于Ti合金采用金属型负压铸造工艺，浇注温度为1800°C。
全文摘要
本发明公开了一种陶瓷柱阵列增强金属基复合材料或部件及其制备方法，该复合材料或部件包括金属基体以及规则排列在金属基体内的陶瓷柱，所述陶瓷柱与金属基体之间形成整体或局部复合；其制备方法步骤为陶瓷柱的预处理、陶瓷阵列的固定和金属铸造；陶瓷阵列的预处理可采用陶瓷表面金属化，陶瓷化或陶瓷化+金属化方法；采用本发明方法可以容易制备不同陶瓷增强体含量与种类的陶瓷整体或局部增强金属复合材料或部件，该复合材料或部件具有陶瓷增强体的宏观均匀性，使用过程中具有高可靠性以及优良的陶瓷/金属界面结合等特点，可用于承载、摩擦磨损等领域。
文档编号B22D19/00GK102581259SQ20121003980
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月21日 优先权日2012年2月21日
发明者乔冠军, 刘桂武, 史忠旗, 杨建锋, 王倩, 王红洁, 王继平 申请人:西安交通大学