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原位反应制备铁基耐磨复合材料

导读: 激光表面合金化该工艺是将增强颗粒和铁基体共同熔化后再共同凝固而形成耐磨复合材料,易于实现自动化生产,且不会引入外来杂质。

  按增强颗粒的加入方式不同,铁基耐磨复合材料的制备工艺可分为颗粒原位生成和颗粒强制加入两种。原位生成制备的铁基耐磨复合材料成本低、增强体分布均匀、基本上无界面反应,且可以使用传统的金属熔融铸造设备,材料性能优良,因而引起材料界的高度重视。

  一、 喷射沉积原位反应法。

  此法是将原位反应和喷射沉积工艺结合在一起制备颗粒增强铁基耐磨材料的方法。该工艺在制备铁基耐磨复合材料时,将金属粉(如钛粉)加热熔化后注入等离子喷射器中,通入反应气体(如氮气和甲烷等),使增强相在等离子气体的激发下发生合成反应,生成增强颗粒并沉积在铁基体上。这种原位合成相能与基体牢固结合,所制得的铁基材料有较好的耐磨性和韧性。例如,采用这种工艺可以在铁基体上等离子喷射沉积TiC和TiN颗粒。在喷射沉积过程中钛液滴表面与氮原子和碳原子不断发生化合反应,通过调整铁基体与喷射器之间的距离可以控制TiC和TiN颗粒的大小以及两者的相对含量。据报道,在雾化Fe-5%Ti合金时,注入Fe-2.56%C合金颗粒,通过钛和碳之间的反应,得到了粒径在0.5μm以下的TiC和Fe2Ti增强颗粒。该工艺结合了熔化和快速凝固的特点,在保证细化基体组织和增强颗粒分布均匀的同时,也保证了TiC和Fe2Ti增强颗粒与基体间良好的化学或冶金结合。所制得的材料具有较高的常温和高温强度以及高耐磨和耐热性能。由于反应喷射沉积工艺的成本较低、生产速度快,因此具有很好的发展应用前景。

  二、激光表面合金化。

  该工艺是将增强颗粒和铁基体共同熔化后再共同凝固而形成耐磨复合材料,易于实现自动化生产,且不会引入外来杂质。该工艺方法有三类:第一类是激光粉末涂敷合金化,将所要求的合金粉涂敷在要合金化的材料表面,用激光加热使其熔化,在表面形成新的合金层,这种方法在铁基材料表面进行合金化时普遍采用。第二类是激光硬质粒子喷射合金化,此工艺方法是将硬质粒子用惰性气体直接喷射进入激光熔融的熔池,在随后的冷凝过程中,这些硬质粒子保持了原来的形状,镶嵌在基体材料中。第三类是激光气体合金化,主要是将铝、钛及其合金等软质材料,在激光照射条件下,将反应气体注入表面熔池,并通过反应在表面得到TiN、TiC、Ti(C,N)等化合物,以达到提高表面层硬度的目的。例如,采用激光表面合金化工艺制备复合碳化物颗粒增强铁基复合涂层。该涂层的微观组织由铁基、Fe3C和γ′相组成,其中有弥散分布的增强颗粒相。颗粒相具有TiC晶格结构,同时固溶了大量的锆或钨元素,和基体相之间结合牢固,显示出优异的耐磨性能。

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